やさしい物理講座ⅴ59「重力波は検出できない」

吾輩は量子力学の素粒子としての光粒子は質量０であり、重力は質量に働くものであるから質量０の光粒子には重力は働かないと主張してきた。
そして、質量のある物質（含む素粒子）には慣性力は働くが質量０の光粒子には慣性力が働かないことも主張してきた。
観測装置でのレーザー光線（光粒子）は、質量０であり、重力を感知する（観測する）装置としては、不適切であり、研究成果が出ないことは、十分予想していた。
この光を使う観測の研究結果は、つまり成果がでないことは、重力は「光を曲げることもない」し、「空間を曲げることもない」ことが判明したのである。
そして、「時間の遅れ」理論の根拠の「光時計の思考実験」なるものも、根拠が崩れるのである。それを解説するために導入したローレンツ変換式も不要の長物である。
1905年の論文が発表された当初から、「質量０の光は重力で曲がらない」などの批判があった。
故に、「研究成果は元々でない理論」を検証しているのである。
研究者は自分の研究の間違いを自ら正すことは難しい。空理論を探して、それらしき事象をそれらしく研究成果として報告することであろう。捏造とは言わないが、色々な物理現象が考えられることを強引に理論に当てはめてきたことが否めない。そして、非を認めずに、119年間、屋上屋の理論がこれらの理論を構築してきた。そろそろ目を覚ます時期でである。今回は「KAGRA」の報道記事を紹介するが実験の理論に間違いがあるので、観察結果は得られないと確信している。極論を言うと無駄な予算と研究費を税金から捻出していることは残念である。

　　　　　皇紀2684年2月16日
　　　　　さいたま市桜区
　　　　　理論物理研究者　田村　司

日本の重力波望遠鏡「KAGRA」被災状況の詳細が判明 能登半島地震の影響

sorae によるストーリー • 11 時間

2015年に「重力波」の観測に成功して以降、現在の天文学は重力波を宇宙の観測手段とする段階に入っています。岐阜県飛騨市に設置された大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」は、重力波の詳細な観測を行うため、他国の重力波望遠鏡と連携していました。

しかし、2024年1月1日に発生した「令和6年能登半島地震」でKAGRAの装置の一部が損傷を受けたことが判明し、詳細な被災状況が2月5日に報告されました。現時点では具体的な時期は未定なものの、KAGRAは2025年1月の共同観測期間終了前までに観測運転を再開することを目標としています。

【▲図1: 神岡鉱山坑道内に設置されたKAGRAの一部（Credit: 東京大学宇宙線研究所 & 国立天文台）】© sorae

■「重力波」は本格的な天文観測の手段となりつつある

1915年にアルベルト・アインシュタインが提唱した一般相対性理論では、重力に関する様々な現象が予言されていました。その中でも最後まで観測による証明ができていなかったのが、「重力波」と呼ばれる時空の “さざ波” です。重力波が初めて観測されたのは2015年のことであり、奇しくも提唱からちょうど100年で最後の “宿題” が解かれた形です。

観測自体が困難であった重力波は、その検出器である重力波望遠鏡の改良によって、現在ではただ観測するだけでなく観測データから天文現象の詳細を考察する段階に入っています。重力波は光 (電磁波) で見通すことのできない場所でも通過することができるため、ブラックホール同士の衝突や誕生直後の宇宙など、これまで観測ができなかった天文現象に切り込む強力な手段として重視されています。

ただし、重力波という弱いシグナルを検出することは相変わらず困難であり、複数の重力波望遠鏡で観測することは観測データの精度を高める上で重要です。また、地球の複数の地点に重力波望遠鏡を設置すると、重力波の到達時間のわずかなズレをもとに発生場所を精度よく絞り込めます。このため、世界各地に重力波望遠鏡を設置し、共同で観測することが重要です。

大規模な重力波望遠鏡は、これまでにアメリカの2か所に設置された「LIGO」と、イタリアに設置された「Virgo」があり、発生場所の絞り込みに最低限必要な数である3か所を満たしています。しかし発生場所の特定精度を上げるには、最低でももう1か所での観測が望まれます。

■大規模で繊細な重力波望遠鏡「KAGRA」

【▲図2: KAGRAは、神岡鉱山の地下約200mに掘り進められたトンネル内に設置されています。L字型の “腕” の長さは3km以上あります（Credit: 東京大学宇宙線研究所）】© sorae

日本に設置された「KAGRA」は、LIGOやVirgoと同程度の規模と性能を持つ重力波望遠鏡です。岐阜県飛騨市の神岡鉱山の地下に設置されたKAGRAは、長さ約3kmの距離で設置された鏡の間を約500回往復するレーザーによって重力波を捉えます。

レーザーは光の波長が揃っており、波の山や谷が同じように重なり合っているため、通常はお互いに影響を及ぼしません。しかし、重力波が通過すると空間がわずかに伸び縮みするため、波の山や谷の重なりがずれます。すると、光が強めあったり弱めあったりする「干渉」という現象が起こります。この干渉を捉えることで、重力波を検出することができます。

ただし、重力波による空間の伸び縮みの長さは原子核よりもずっと小さなものであるため、非常に繊細な調整が求められます。特に、レーザーを反射する鏡の位置は非常に重要です。KAGRAの場合、常に生じている地面からの振動の影響を最小限に抑えるため、地質的に安定した神岡鉱山の地下深くに設置するだけでなく、サファイア製の鏡に振り子構造の防振装置を設置しています。また、物質を構成する原子は温度が高くなるほど激しく振動していますが、この振動自体もノイズとなります。KAGRAはサファイア鏡を冷却することで原子の振動を抑えており、そのことを強調するために大型低温重力波望遠鏡と呼称されます。さらに、装置そのものは空気の影響を避けるために真空中に置かれています。

■「能登半島地震」による損傷が判明

【▲図3: LIGO-Virgo-KAGRA観測運転の予定表 (能登半島地震発生前に作成されたもの) 。KAGRAは第4期観測運転 (O4) の前半を終了し、後半の開始を2024年3月に控えていました（Credit: IGWN）】© sorae

KAGRAは2023年5月から6月にかけて、LIGOやVirgoと共に重力波を共同で観測するLIGO-Virgo-KAGRA第4期観測運転の前半「O4a」に参加し、その後は観測を終了して感度を向上させる作業を行っていました（O4a自体は2024年1月まで継続）。前回の共同観測運転期間であるO3にはKAGRAの建設が完了した後の途中参加となっており、またCOVID-19（新型コロナウイルス感染症）の拡大による中断もあったため、O4aはKAGRAにとって実質的に最初の本格的な参加となっていました。

しかし、2024年1月1日に発生した能登半島地震は、震源から120km以上離れたKAGRAにも影響を与えました。KAGRAが設置されているトンネル坑内での震度は3でしたが、それでも装置全体に平時よりも強い振動がかかります。また、防振装置は重力波と似た周期の振動がノイズになることを防ぐことを目的としているため、周期が大きく異なる地震の揺れを抑えることはできません。結果として、KAGRAの装置全体に大きな負荷がかかりました。

地震発生直後は余震への警戒があったために、遠隔以外の詳しい調査を行うことができませんでした。また、装置の多くが真空下に置かれているため、目視点検は一部しか行うことができません。不具合の有無の確認は、装置の位置や向きを捉えるセンサーの値や入力信号に対して返される出力信号など、様々なパラメーターを地震前後で比較するという間接的な方法が必要となります。このため、第一報は1月15日、より詳細な第二報は2月5日に発表されました。

まず、人的被害やトンネルの崩落など深刻な被害は今回発生していません。また、最重要部品である鏡には地震のような過剰な揺れを抑えるためのストッパーがあり、今回は鏡を吊るすワイヤーの切断やストッパーが機能せずに鏡が落下して損傷するといったような最悪の事態は避けることができました。

【▲図4: KAGRAの装置概略図。鏡の位置調整を行ったり揺れを抑える装置 (水色の丸の上にある四角で表されている) が、部品の脱落などの被害を受けました（Credit: 東京大学宇宙線研究所）】© sorae

しかし、それ以外の部分についてはいくつかの損傷が見つかっています。鏡の振動を抑える鏡防振懸架装置は、全20基のうち少なくとも9基に鏡の位置の制御に必要な磁石の脱落があり、鏡の位置を遠隔で調整できなくなりました。また、防振装置の一部が本来であれば接触してはならない位置で接触していることも判明しました。また、振動を計る加速度計の一部から信号が届かなくなっていることや、冷却装置に必要な給水ポンプが1月13日に停止した影響で装置の一部を冷却できなくなるトラブルも発生しています。

部品の脱落や遠隔で調整ができない状況であることから、修理と調整の作業は手動で行う必要があります。このため、装置を包む真空装置の内部に一旦空気を入れ、修復と調整作業を行った後、再度真空に置く必要があります。一部の装置についてはすでにこの作業に着手していますが、まだ着手できていない装置もあります。また、鏡は地震発生当時にはマイナス188℃の極低温に冷却されていたため、調整のため室温に戻した後は再度冷却する必要があります。

これらのことから、修理にはそれぞれの装置によって、1か月から数か月程度の時間がかかると見積もられています。

■共同観測期間終了前に修理完了を目標に

全20基の鏡防振懸架装置の不具合については、まだ全容は判明していません。残り11基も順次調査中ですが、調査の完了にはもう少し時間がかかります。

第4期観測運転の後半「O4b」は2024年3月末に開始が予定されていますが、O4bの開始時にKAGRAが観測に参加できないことは確実視されています。KAGRAの修理が終わり、観測運転がいつ開始されるかの目途は立っていませんが、O4bは2025年1月までの観測期間が予定されています。この期間までに観測運転が再開するよう、KAGRAの修理作業が続けられています。

Source

・“2024年1月1日能登半島地震によるKAGRAの被災状況について” (東京大学宇宙線研究所、2024年2月5日)

・“2024年1月１日能登半島地震のKAGRAへの影響について” (KAGRA 大型低温重力波望遠鏡、2024年1月15日)

・“LIGO, VIRGO and KAGRA observing run plans”. (IGWN Conda Distribution)

文／彩恵りり

参考文献・参考資料

日本の重力波望遠鏡「KAGRA」被災状況の詳細が判明 能登半島地震の影響 (msn.com)

やさしい物理講座ｖ21「未発見の重力子、そしてKAGRA計画の重力波測定の研究成果の出ない理由」｜tsukasa_tamura (note.com)

阪上孝・後藤武　編著　『はかる科学』中公新書　2007.10.25発行
p26～54

小暮　陽三　著『物理のしくみ』日本実業出版社　1994.10.15　8刷発行
p132

後藤学著『相対性理論のどこがおかしいか』ｐ324～326「相対論はやはり間違っていた」徳間書店　1995.5.10　
巻末資料２ A・Einstein　『　E=Mc²に関する論文　』ｐ18～20

伊藤幸夫・寒川陽美著『単位の基本と仕組み　国際単位系（SI)』秀和システム　2004.8.10　第一版1刷　p62～、p104

国際単位研究会著『SI単位ポケットブック』日刊工業新聞社　2003.6.26　2版1刷

今井秀孝監修『計量の本』日刊工業新聞社　2007.11.30　1版1刷　p134　

中井多喜雄著『早わかりSI単位辞典』技報堂出版　2003.9.1　1版1刷発行

山内薫著『分子構造の決定』岩波書店　2003.10.10　3刷発行　p6～15

吉田伸夫著『素粒子はなぜわかりにくいのか』技術評論社　2014.1.10　初版1刷　p129～158　摂動法

ジム・アル・カリーリ著　林田陽子訳『見て楽しむ量子物理学の世界』日経BP社　2008.9.29　1版1刷

山本耕造著『宇宙線と素粒子の本』日刊工業新聞社　2018.1.18　初版1刷　p132～133

梶田隆章著『ニュートリノで探る宇宙と素粒子』平凡社　2015.11.20　初版第1刷

竹内　淳著『高校数学で分るマックスウェル方程式』講談社2003.6.27第2刷発行
p200～209　学会、言論の自由、発想の自由、科学の役割

平野功著　『原子・光・磁気の解析　－その成り立ちと発展の軌跡ー』技報堂出版2004.3.30　1版1刷発行

窪田登司著　『アインシュタインの相対性理論は間違っていた』徳間書店　1993.10.31　p212　　

木幡赳夫他8名著　『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1

安東正樹著　『重力波とは何か』　講談社　2016.9.14　1刷発行　　

高橋真理子著　『重力波　発見！』　新潮社　2017.9.20　p168　　　

大槻義彦・大場一郎著『物理学事典』　講談社　　　　　　p326　

円山重直著　『光エネルギ工学』養賢堂　2004.4.30　1版発行　p172、ｐ178

竹内淳著　『光とレンズ』講談社　2016.5.20　第1刷発行　p156～157

山本義隆著　『幾何光学の正準理論』数学書房　2014.0.1　1版1刷　p27、p30、p35

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%90

・ニュートン別冊
『時間とは何か』　㈱ニュートンプレス　2016．7.．25　発行増補第三版

・松浦壮著　『時間とは何だろう』　㈱講談社　2017.12.5第三刷発行
　ｐ94～96文章抜粋
　絶対時間から相対時間へ
「さて新しい原理を持ち込んで理論を構築するのはもちろん自由ですが、それが正しいかは別問題です。アインシュタインが導入した原理は本当に正しいでしょうか？こういう場面で登場するのが実験の精神です。新しい原理が導入されたことで予言される現象が現実に起きるかどうかが判定材料になります。
・・・時間とは時計で測定するものとして「光時計」を考える。・・・思考実験

・原康夫著　『量子力学』　岩波書店　1994.6.6　第一刷発行　p3（光の二重性）、
ｐ４文章抜粋「このように光は波動性と粒子性の両方の性質を示す。とりあえず光の二重性を『光は空間を波として伝わり、物質によって放出・吸収されたとき粒子として振舞う。』
ｐ5文章抜粋『１９０５年にアインシュタインは振動数νの光（一般に電磁波）はエネルギーＥ＝ｈνを持つ粒子（光子）の流れだと光電効果を説明した。』

・チャールズ・H・ホランド著　手嶋英志訳　『時間とは何か』　青土社　2002.12．20　第1刷発行　p188

・平野功著　『原子・光・磁気の解析』　技報堂出版　2004..3.30　第1版1刷

・円山重直著　『光エネルギー工学』　養賢堂　2004.4.30　
p6文章引用「光とは狭義には可視光を意味するが、一般的には電磁波又は光子「フォトン」と同義である。物質中の電荷が変動することによって電磁波が発生し空間を伝播する。
p62、電磁波の伝播、マックスウェルの方程式

・後藤憲一、小野廣明、小島彬、土井勝　著　『基礎物理学　第二版』　共立出版　2004.4.15　第二版1刷
p159　　　Ⅰ　特殊相対性原理
　　「すべての慣性系は同資格でどのような物理法則もすべての慣性系と同じ形である。」
　　　　　Ⅱ速度不変の原理
　　「真空中を光が伝わる速さは光源の動く速さや方向に無関係に、どのような慣性系から見ても同じ値（ｃ）である。」

・山田克哉著　『光と電気のからくり』　講談社　2003.6.27　　ｐ１３９、ｐ１４８

・福田京平著　『光学機器が一番わかる』　技術評論社　2010.5.5　初版1刷発行

・石川健三著　『場の量子力学』　培風館　2006.7.20　初版発行

・佐藤勝彦著　『量子論』　ナツメ社　1999.2.10　発行

・山崎昇　監訳　『見える数学の世界』　大竹出版　2000.12.11　第一版発行
p295　ピタゴラスの定理

・岡部恒治、有田八州穂、今野和浩著　『文科系学生のための数学教室』　有斐閣アルマ　　p34　三平方の定理（ピタゴラスの定理）

・吉田伸夫著　『素粒子論はなぜわかりにくいのか。場の考えを理解する』　技術評論社　2014.1.10　初版第1刷発行
要約（　p10～31から引用）
１、素粒子（含む光子）は粒子ではなく「場」の概念を適用する。。
２、「場」の概念を適用とは
「場」とはいたるところに存在し、あらゆる物理現象の担い手となるものである。
空間と一体化し、空間に対して移動できないことが「場」の特徴である。
時間とともに変化する物理現象では原子のような実体が空っぽの空間の中を動き回るのではなく、「場」の値が変化することで動きをもたらしている。

・山崎正之、若木守明、陳軍　共著　『波動光学入門』　実数出版　2004.4.20　第1刷発行

・『キップソン博士が語る時空旅行
相対性理論とタイムトラベル』　ニュートンプレス　2012.6.15　発行

・『アインシュタイン　物理学を変えた発想』　ニュートンプレス　　2009.3.10　発行
p30、止まっている光時計
p45、運動している光時計　

・『時間の謎』　ニュートンプレス　2018．　8月号

・平井正則監修　三品隆司編者
『アインシュタインの世界　天才物理学者に関する６０の疑問』　ＰＨＰ研究所　1996.10.22　第一版7刷発行　　
　ｐ61～62　特殊相対性理論
　ｐ62～63　絶対時間と相対時間　「時間」と「空間」

・桑原守二・三木茂監修『図解雑学　電気・電子のしくみ』　ナツメ社　1997.7.20
ｐ162さまざまな電磁波　ｐ165マックスウェルの方程式

・小暮陽三著　『物理のしくみ』　日本実業出版社　1994.10.15　第８刷発行
ｐ38光の粒子説と波動説、ｐ42光と電磁波、ｐ125エーテルと光速度の測定
ｐ126同時刻とは　ｐ128時間の遅れ

・小沼通二著　『現代物理学』　放送大学　1997.3.20　改訂版第1刷　ｐ28相対性理論

・阿部龍蔵・川村清著『量子力学』　放送大学　1997.3.20　改訂版第1刷　ｐ18波と粒子の2重性

・藤井保憲著　『相対論』放送大学　1995.3.20　第１刷　ｐ27　時間のおくれ

・阿部龍蔵著　『光と電磁場』　放送大学　1992.3.20　第1刷　ｐ36　光の放出と吸収

・田村　司著　『運動する媒質中の光速度についての考察』放送大学卒業研究論文

運動する媒質中の光速度
https://note.com/tsukasa0415/n/n4cde602b3c7b

・窪田登司・早坂秀雄・後藤学・馬場駿羣・森野正春・・竹内薫・日高守・石井均
『アインシュタイン理性を捨てさせた魔力「相対論」はやはり間違っていた』
徳間書店　　1995.5.10　第２刷
後藤学「相対性理論のどこがおかしいか」ｐ234　文章抜粋「結論的には、特殊相対性理論にはそのベースになっている仮説に疑問があることを指摘しています。その疑問は相対論の全体を完全に破壊させかなない類のものです。」

やさしい物理講座ｖ54「相対性理論の否定」｜tsukasa_tamura (note.com)

「時間の遅れ（time　dilation）」の錯誤｜tsukasa_tamura｜note

私がビックバン理論（宇宙膨張説）を信じない理由 副題　光の減衰理論(仮説）｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ36「宇宙膨張説・ビックバン理論・宇宙インフレーション論の矛盾解消のため、『光の真空中の減衰理論』に道を譲るべき時期であろう」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ31「ブラックホールが宇宙空間ガス物質で作り出す現象の光の屈折」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ26「いよいよ特殊相対性理論と一般相対性理論の終焉である。」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ23「運動している物質中の光の振る舞い」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ21「未発見の重力子、そしてKAGRA計画の重力波測定の研究成果の出ない理由」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ20「光の放出は原子・分子の励起状態に起因する。振動数ν₁,ν₂,ν₃,ν₄のように飛び飛びの値をとる。それを波動性の特性の活用し、回折格子の干渉縞で線スペクトルとして見ることができる｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ17「量子力学から考察した素粒子の光子（フォトン）と重力子（グラビトン）とヒッグス粒子の考察」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ16「光粒子（素粒子：電磁波）と物質の相互作用」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ14「E＝ｍｃ²の検証・・・まだ仮説のまま実証されていない、呵々。」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ13「光の真空中の減衰理論」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ7「狂った時計で時間を測定する愚行、"Time Dilation”の詐術にご用心」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ5「光子（素粒子）には慣性力が働かないから『光時計』は理論的に機能しない。それは『時間の遅れ』の証明にはならない」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座ｖ4「光子（素粒子）は質量０で重力の影響を受けない。」｜tsukasa_tamura｜note

やさしい物理講座V3「素粒子を粒子と見ないで『場の考え方』が必要」｜tsukasa_tamura｜note