8.10 等価原理の公準としての位置づけ

目次 ／ 第8章 エネルギー糸理論が挑むパラダイム

三つの狙い：
等価原理が重力理論の礎とみなされてきた理由を示し、精度の高度化と文脈の拡張によってどこに難所が現れているのかを整理します。そのうえで、エネルギー・スレッド理論（EFT）が、エネルギーの海（Energy Sea）とテンソル地形の観点から等価原理をゼロ次近似へと位置づけ直し、ごく微小だが検証可能な逸脱の手がかりを提示することを説明します。

I. 現行パラダイムは何を主張しているか

1. 中核的な主張：
   • 自由落下の普遍性（弱い等価原理（WEP））：組成や構造が異なる物体でも、同じ重力環境では同じ加速度で落下します。
   • 局所的な特殊相対論の成立（局所ローレンツ不変性／局所位置不変性（LLI/LPI））：十分に小さな自由落下系では、非重力の物理は特殊相対論と等価になります。異なる重力ポテンシャルに置かれた時計の周波数差はポテンシャル差だけで決まり、**赤方偏移（Redshift）**として現れます。
   • 強い等価原理（SEP）：物体の重力結合エネルギーや内部エネルギー状態まで含めても、上記の結論は成り立つとされます。
2. 好まれてきた理由：
   • 概念の統一：慣性質量と重力質量を同一視し、重力の基本的な語りを簡潔にします。
   • 実験のしやすさ：局所的自由落下系をほぼ平坦な舞台として扱えるため、理論と実験の橋渡しが容易になります。
   • 検証の厚み：トーションバランスから原子干渉計、赤方偏移試験やパルサー計時に至るまで、広範な実験がゼロ次の正しさを支持してきました。
3. どう読むべきか：
   等価原理は現状の精度ではきわめて成功している前提であり、結論ではありません。これを不可侵の公準へ格上げしてしまうと、環境や状態にわずかに依存する効果を探る余地が狭まりかねません。

II. 観測上の難点と論点

• 量子状態と内部エネルギー：
  内部状態・スピン・結合エネルギー比が異なる試料の間で、極限精度で再現性のある微小差が現れるのか。多くの実験は整合的ですが、状態依存の上限は今も更新されています。
• 強い等価原理と自己重力：
  自己重力が無視できない、あるいは内部応力が強い系（高密度天体や極端な原子核状態など）を比べるとき、強い等価原理の適用境界は依然として経験的に開かれた問題です。
• 方向性と環境依存の微差：
  天球上の異なる領域や大域的環境をまたぐ高精度比較で、弱いながら安定した系統差が報告される例があります。多くは系統誤差や偶然視されますが、信号の規則性は「極めて弱い外場との結合」の可能性を示唆します。
• 赤方偏移の会計と「経路記憶」：
  高精度の時計比較は、周波数差を原則としてポテンシャル差に帰します。他方、宇宙論的距離では、光の周波数が経路（Path）に沿う進化的な記憶を帯びうることがあります。ポテンシャル差による赤方偏移と、経路に依存する進化的偏移を同一の勘定に整合させる新しい取り決めが求められます。

短い結論：
ゼロ次としての等価原理の正しさは揺らぎません。争点は、ゼロ次よりさらに弱いが再現可能な環境／状態依存項が存在するのか、そしてそれらを統一的な物理の台帳にどう記載するかです。

III. エネルギー・スレッド理論による読み替えと、読者が体感する変化

要点ひとことで（エネルギー・スレッド理論（EFT））：
局所でテンソル地形が十分に平坦であれば、自由落下は実質等しく見えます。しかし、極限の精度やスケール横断の状況では、エネルギーの海（Energy Sea）のテンソルとその張力勾配（Tension Gradient）が、自由落下と赤方偏移にごく弱い環境項を付け加えます。したがって、等価原理はゼロ次近似として位置づけ直されます。

直観的なたとえ：
張られた太鼓の膜の上を滑ると考えます。近傍だけを見れば平坦で、誰が滑っても同じに見えます（ゼロ次の等価）。しかし膜には、ゆるやかな長い傾斜や微細なさざ波――すなわちテンソル地形――が潜んでいます。測定を十分に細かくすると、組成・大きさ・内部の「リズム」が異なる滑り台は、これら微弱な起伏に対して小さく再現性のある応答差を示します。

読み替えの三本柱：

1. ゼロ次と一次の役割分担
   • ゼロ次： 局所的に一様なテンソルの下では、自由落下の普遍性・局所ローレンツ不変性・局所位置不変性が厳密に成り立ちます。
   • 一次： テンソル地形に、試料間や経路に沿って識別可能な緩やかな変動が現れると、弱いが規則的な環境項が生じます。
     1. 状態／組成依存： 内部エネルギーとテンソルの結合に由来する微小差。
     2. 経路依存： 経路に沿うテンソルの進化によって無分散の正味の周波数偏移が積み上がり、ポテンシャル差による赤方偏移と並立します。
2. 幾何は外観、因果はテンソルに置く
   自由落下の外観は有効計量で表せますが、本質的な因果はテンソルポテンシャルと**統計的テンソル重力（STG）**にあります。等価原理は、一様テンソルという極限で現れる外観の統一です。
3. 一枚の基盤地図で多様な試験に臨む
   追加される環境項は、同一のテンソルポテンシャル地図に整合していなければなりません。トーションバランス、原子干渉計、時計ネットワーク、天文学的経路での微小赤方偏移が、互いに異なる優先方向を指すなら、エネルギー・スレッド理論の統一的な読み替えは支持されません。

検証可能な手がかり（例）：

• 方向性／日周の変調： 高感度トーションバランスや原子干渉計の差分信号を、天空の優先方向と突き合わせ、地球自転に伴う微弱な変調を探索します。
• 時計ネットワークにおける経路—ポテンシャル分解： 地上規模／星間の光学リンクで、純粋なポテンシャル差による赤方偏移と、異なる天域に沿った経路依存の微小差を比較します。基盤地図の方位と一致する無分散の署名を要件とします。
• 組成／状態スキャン： 巨視的試料に加え、同位体や内部状態が異なる原子・分子の干渉計測へと拡張し、状態依存の極微の項を探ります。
• 強い等価原理の境界： 高密度・高応力の系（超低温凝縮体や高密度天体の計時など）で、テンソル地形と同じ向きをもつ小さな逸脱を探索します。

読者が実感する変化：

• 見方の層： 等価原理は依然として第一選択の近似ですが、不可侵の公準ではありません。適用領域と一次修正が明確になります。
• 方法の層： 微小差を誤差に押し込むのではなく、残差のイメージ化へ転じ、実験と天文のデータを一枚のテンソルポテンシャル地図で整列させます。
• 期待の層： 大きな破れを期待せず、弱く・再現可能で・方向整合的・無分散の微小差を探し、「一枚の地図で複数の効果を説明する」ことを要件とします。

よくある誤解への短い答え：

• エネルギー・スレッド理論は等価原理を否定するのか。 否定しません。局所一様なテンソルという極限で、ゼロ次として回収されます。議論の対象は一次の環境項です。
• 既存の高精度試験を損なうのか。 損ないません。期待される偏差は主要なしきい値を大きく下回り、より高い感度と方向間の整合があってはじめて顕在化しえます。
• 「何でも説明できる理論」なのか。 いいえ。同一のテンソルポテンシャル地図で複数の微小効果を説明できることが条件で、個別の「つぎはぎ地図」を要するなら不合格です。

本節のまとめ
等価原理の強みは、重力という複雑な外観をゼロ次で端的に整える点にあります。エネルギー・スレッド理論はその整合を保ちながら、因果をエネルギーの海のテンソルとその統計的応答へと戻します。測定がより細かく広がるにつれ、方向整合的で環境に追随する微小差は「雑音」からテンソル地形の画素へと変わっていくはずです。こうして等価原理は公準から道具へと位置づけを改め、既存の事実を守りつつ、高精度時代に検証可能な物理の余白を残します。