Переменная скорость света

Переменная скорость света ( VSL ) — это особенность семейства гипотез, утверждающих, что скорость света может каким-то образом не быть постоянной , например, что она изменяется в пространстве или времени или в зависимости от частоты . Принятые классические теории физики , и в частности общая теория относительности , предсказывают постоянную скорость света в любой локальной системе отсчета , а в некоторых ситуациях они предсказывают очевидные изменения скорости света в зависимости от системы отсчета, но эта статья не относится к это как переменная скорость света. Различные альтернативные теории гравитации и космологии , многие из которых не являются общепринятыми, включают изменения в локальной скорости света.

Попытки включить переменную скорость света в физику были предприняты Робертом Дике в 1957 году и несколькими исследователями, начиная с конца 1980-х годов.

VSL не следует путать с теориями скорости, превышающей скорость света , ее зависимостью от среды показателя преломления или ее измерением в системе отсчета удаленного наблюдателя в гравитационном потенциале . В этом контексте «скорость света» относится к предельной скорости c теории, а не к скорости распространения фотонов .

предложения

Предыстория

Эйнштейна Принцип эквивалентности , на котором основана общая теория относительности , требует, чтобы в любой локальной, свободно падающей системе отсчета скорость света всегда была одинаковой. Однако это оставляет открытой возможность того, что инерционный наблюдатель, делающий вывод о видимой скорости света в отдаленной области, может вычислить другое значение. Пространственное изменение скорости света в гравитационном потенциале, измеренное по отношению ко времени удаленного наблюдателя, неявно присутствует в общей теории относительности. Кажущаяся скорость света будет меняться в гравитационном поле и, в частности, стремиться к нулю на горизонте событий, если смотреть на него удаленным наблюдателем. При определении гравитационного красного смещения , обусловленного сферически-симметричным массивным телом, радиальную скорость света dr / dt можно определить в координатах Шварцшильда , где t — время, записанное на стационарных часах на бесконечности. Результат

${\frac {dr}{dt}}=1-{\frac {2m}{r}},$

где m — мг / с ² и где натуральные единицы, используются такие, что c ₀ равен единице.

Дике (

Роберт Дике в 1957 году разработал теорию гравитации VSL, теорию, в которой (в отличие от общей теории относительности) скорость света, локально измеренная свободно падающим наблюдателем, может меняться. Дике предположил, что и частоты, и длины волн могут различаться, что, поскольку $c=\nu \lambda$ привело к относительному изменению c . Дикке предположил, что показатель преломления $n={\frac {c}{c_{0}}}=1+{\frac {2GM}{rc^{2}}}$ (уравнение 5) и доказал, что оно согласуется с наблюдаемым значением отклонения света. В комментарии, касающемся принципа Маха , Дикке предположил, что, хотя правая часть члена в уравнении 5 мала, левая часть, 1, может иметь «свое происхождение из остальной материи Вселенной».

Учитывая, что во Вселенной с увеличивающимся горизонтом все больше и больше масс вносят вклад в указанный выше показатель преломления, Дикке рассмотрел космологию, в которой c уменьшается со временем, давая альтернативное объяснение космологическому красному смещению .

предложения

Были разработаны модели переменной скорости света, в том числе модель Дике, которые согласуются со всеми известными тестами общей теории относительности.

Другие модели связаны с гипотезой больших чисел Дирака .

Было опубликовано несколько гипотез изменения скорости света, по-видимому, противоречащих общей теории относительности, в том числе гипотезы Гиера и Тана (1986). и Санеджуанд (2009). В 2003 году Магейхо дал обзор таких гипотез.

Космологические модели с различными скоростями света были независимо предложены Жаном-Пьером Пети в 1988 году. Джон Моффат в 1992 году и команда Андреаса Альбрехта и Жоау Магейхо в 1998 году. объяснить проблему горизонта космологии и предложить альтернативу космической инфляции .

Связь с другими константами и их вариациями

Дополнительная информация: Изменение фундаментальных констант во времени.

Гравитационная постоянная G

Смотрите также: гипотеза больших чисел Дирака

В 1937 году Поль Дирак и другие начали исследовать последствия изменения естественных констант со временем. Например, Дирак предлагал изменить всего 5 частей из 10. ¹¹ в год ньютоновской постоянной гравитации G, чтобы объяснить относительную слабость гравитационной силы по сравнению с другими фундаментальными силами . Это стало известно как гипотеза больших чисел Дирака .

Однако Ричард Фейнман показал что гравитационная постоянная, скорее всего, не могла так сильно измениться за последние 4 миллиарда лет, основываясь на геологических наблюдениях и наблюдениях Солнечной системы, хотя это может зависеть от предположений о том, что G изменяется изолированно. (См. также строгий принцип эквивалентности .)

тонкой α

См. также: Fine-structure_constant § Потенциальное_изменение во времени.

Одна группа, изучающая далекие квазары, заявила, что обнаружила изменение постоянной тонкой структуры. на уровне в одной части из 10 ⁵ . Другие авторы оспаривают эти результаты. Другие группы, изучающие квазары, заявляют об отсутствии заметных изменений при гораздо более высокой чувствительности.

Природный ядерный реактор Окло α использовался для проверки того, могла ли константа тонкой структуры атома измениться за последние 2 миллиарда лет. Это связано с тем, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например, ¹⁴⁹
см
захватывает нейтрон и становится ¹⁵⁰
см
, а поскольку скорость захвата нейтронов зависит от значения α , соотношение двух изотопов самария в образцах из Окло можно использовать для расчета значения α 2 миллиарда лет назад. В нескольких исследованиях были проанализированы относительные концентрации радиоактивных изотопов, оставшихся в Окло, и большинство из них пришли к выводу, что ядерные реакции тогда были во многом такими же, как и сегодня, что означает, что α тоже была такой же.

Пол Дэвис и его коллеги предположили, что в принципе возможно определить, какая из размерных констант ( элементарный заряд , постоянная Планка и скорость света ), из которых состоит константа тонкой структуры, ответственна за изменение. Однако это оспаривается другими и не является общепринятым.

различных

Безразмерные и размерные величины

Чтобы прояснить, что на самом деле означает изменение размерной величины, поскольку любую такую ​​величину можно изменить, просто изменив выбор единиц измерения, Джон Барроу написал:

«[Важный] урок, который мы извлекаем из того, как чистые числа, такие как α, определяют мир, заключается в том, что на самом деле означает, что миры различны. Чистое число, которое мы называем константой тонкой структуры и обозначаем α, представляет собой комбинацию электронных заряд e Сначала у нас может возникнуть соблазн подумать, что , света скорость c и постоянная Планка h . мир, в котором скорость света была бы медленнее, был бы другим миром. Но это было бы ошибкой. Если бы c , h и e были изменены так, что значения, которые они имели в метрических (или любых других) единицах, были разными, когда мы искали их в наших таблицах физических констант, но значение α осталось прежним, этот новый мир было бы неотличимо от нашего мира с точки зрения наблюдений. Единственное, что учитывается при определении миров, - это значения безразмерных констант Природы. Если бы все массы были удвоены по значению (включая планковскую массу m _P ), вы не могли бы сказать, потому что все они чистые. числа, определяемые отношениями любой пары масс, остаются неизменными».

Любое уравнение физического закона можно выразить в форме, в которой все размерные величины нормализуются по отношению к величинам одинакового размера (так называемая безразмерность ), в результате чего остаются только безразмерные величины . Физики могут выбирать свои единицы измерения так, чтобы физические константы c , G , ħ = h /(2π) , 4π ε ₀ и k _B принимали значение единица , в результате чего каждая физическая величина нормализуется по отношению к соответствующей единице Планка . По этой причине утверждалось, что указание эволюции размерной величины бессмысленно и не имеет смысла. Когда используются единицы Планка и такие уравнения физического закона выражаются в этой безразмерной форме, никакие размерные физические константы, такие как c , G , ħ , ε ₀ или k _B, не остаются, а только безразмерные величины, как предсказывает теорема Бэкингема π . Если не считать их зависимости от антропометрических не осталось ни скорости света, ни гравитационной постоянной, ни постоянной Планка , которые могли бы подвергаться таким гипотетическим изменениям. единиц, в математических выражениях физической реальности Например, в случае гипотетически изменяющейся гравитационной постоянной G соответствующие безразмерные величины, которые потенциально могут изменяться, в конечном итоге становятся отношениями планковской массы к массам фундаментальных частиц . Некоторые ключевые безразмерные величины (считающиеся постоянными), которые связаны со скоростью света (среди других размерных величин, таких как ħ , e , ε ₀ ), в частности, постоянная тонкой структуры или отношение масс протона к электрону , могут в принципе имеют значимую дисперсию, и их возможные вариации продолжают изучаться.

различных c космологий

С очень общей точки зрения, GFR Эллис и Жан-Филипп Узан выразили обеспокоенность тем, что изменение c потребует переписывания большей части современной физики, чтобы заменить нынешнюю систему, которая зависит от постоянного c . Эллис утверждал, что любая изменяющаяся теория c (1) должна переопределить измерения расстояний; (2) должно предоставить альтернативное выражение для метрического тензора в общей теории относительности; (3) может противоречить лоренц-инвариантности; (4) должно модифицировать уравнения Максвелла ; и (5) должно выполняться последовательно по отношению ко всем другим физическим теориям. Космологии VSL остаются вне основной физики.

Внешние ссылки

• Постояна ли скорость света? «Варьирующиеся константы»