Згідно концепції змінної швидкості світла (ПСС) вважається, що швидкість світла у вакуумі, зазвичай позначається C, в деяких випадках може не бути константою. У більшості ситуацій в фізиці конденсованого стану поширення світла в середовищі дійсно відбувається з меншою швидкістю, ніж у вакуумі. Крім того, в деяких розрахунках квантової теорії поля віртуальні фотони теж можуть рухатися на короткі відстані зі швидкістю, відмінною від швидкості світла. Звідси, однак, не випливає, що можливе переміщення чого б то не було зі швидкістю більше швидкості світла. Хоча звичайно вважається, що немає сенсу приписувати розмірним величинам, таким як швидкість світла, зміна в часі (на відміну від безрозмірних величин, таких як постійна тонкої структури), в деяких спірних теоріях космології швидкість світла варіюється в залежності від зміни постулатів спеціальної теорії відносності. Якщо ця концепція підтвердиться, то виникне необхідність переписати більшу частину сучасної фізики, яка побудована на сталість швидкості світла. [1]


1. Змінна C в класичній фізиці

Вважається, що фотон, який є часткою світла і виступаючий переносником електромагнітної сили, не володіє масою. Так зване " рівняння Проком "описує теорію фотона, що володіє масою [2]. Теоретично можливий фотон, який є надзвичайно легким, але, тим не менше, мають невелику масу, як, наприклад, у нейтрино. Такі фотони можуть зі швидкістю менше швидкості світла, яка визначається в спеціальної теорії відносності. Ці фотони будуть мати три напрямки поляризації. Однак в квантової теорії поля ненульова маса фотона не узгоджується з калібрувальної інваріантністю або перенормування, і тому, як правило, вона ігнорується. Тим не менш, квантова теорія масивного фотона може розглядатися в вильсоновского наближенні теорії ефективного поля до квантової теорії поля, де наявність або відсутність маси фотона породжується механізмом Хіггса, або ж ця маса вводиться в спеціальний лагранжіана пуття. У такому випадку межі на масу фотона, що виникають з різних спостережень і експериментів, можуть обмежувати різні параметри теорії [3].


2. Змінна C в квантовій теорії

В квантової теорії поля співвідношення невизначеності Гейзенберга показує, що будь-які частинки протягом коротких періодів можуть рухатися з довільною швидкістю. В інтерпретації теорії за допомогою діаграм Фейнмана такі частинки відомі як " віртуальні ", і вони відрізняються тим, що поширюються поза" масивної оболонки "(en.) і можуть мати будь-яку швидкість, як менше, так і більше швидкості світла. Можна процитувати Річарда Фейнмана : "... Крім того, для світла є діапазон швидкостей, він може поширюватися швидше (чи повільніше), ніж звичайна швидкість світла. Із попередній лекції ви можете згадати, що світ не завжди йде по прямій лінії, а тепер ви бачите, що він не завжди поширюється зі швидкістю світла! Можливо, вас здивує, що для фотона існує можливість рухатися швидше або повільніше, ніж звичайна швидкість світла С ". [4] Однак ці віртуальні фотони не порушують принципу причинності або спеціальної теорії відносності, так як вони безпосередньо не наблюдаеми, і інформація не може бути передана безпричинно. Діаграми Фейнмана і віртуальні фотони інтерпретуються не як фізичні картини того, що насправді відбувається, але скоріше як зручний інструмент розрахунків (який в деяких випадках може брати до уваги швидкості більше швидкості світла).


3. Змінна C з плином часу

У 1937 році Поль Дірак та інші вчені розпочали дослідження наслідків зміни у часі констант природи. Наприклад, Дірак припустив зміна гравітаційної постійної G всього лише на 5 одиниць 10 -11 в рік від її величини для пояснення відносної слабкості сили гравітації порівняно з іншими фундаментальними взаємодіями. Це увійшло в науку як гіпотеза великих чисел Дірака. Однак Річард Фейнман в своїй знаменитій лекції [5] показав на основі геологічних даних і спостережень сонячної системи, що гравітаційна стала, швидше за все, не могла змінитися так сильно за останні 4 млрд років (хоча можна припустити мінливу константу, не впливає на інші константи). Нинішні (2011 рік) обмеження на швидкість зміни G приблизно в 10 разів нижче значення, пропонувався Діраком.

Неясно, які наслідки кількісних змін розмірності, так як будь така зміна приведе до зміни одиниць вимірювання. Джон Барроу пише:

"Важливий урок, який ми витягуємо з того, як безрозмірні константи, такі як як α, визначають світ, - це як насправді світи можуть відрізнятися один від одного. Безрозмірна константа, яку ми називаємо постійної тонкої структури і позначаємо через α, є комбінація з заряду електрона e, швидкості світла c і постійної Планка h. Апріорі ми можемо подумати, що світ, в якому швидкість світла буде повільніше, буде іншим світом, але це помилка. Якби c, h, і e були б всі змінені таким чином, щоб значення, які вони мають в метричній системі одиниць виміру (або будь-який інший системі) в наших таблицях фізичних констант були б відмінними від існуючих, але значення α залишилося колишнім, цей новий світ був би експериментально відрізнити від нашого світу. Єдина річ, яка має значення при визначенні світу - це значення безрозмірних констант Природи. Якщо все маси подвоїти, [у тому числі планковские масу m P], ви не зможете нічого виявити, тому що всі безрозмірні константи, визначені ставленням будь-якої пари мас, залишаться незмінними. "

Оригінальний текст (Англ.)

[An] important lesson we learn from the way that pure numbers like α define the world is what it really means for worlds to be different. The pure number we call the fine structure constant and denote by α is a combination of the electron charge, e, the speed of light, c, and Planck's constant, h. At first we might be tempted to think that a world in which the speed of light was slower would be a different world. But this would be a mistake. If c, h, and e were all changed so that the values ​​they have in metric (or any other) units were different when we looked them up in our tables of physical constants, but the value of α remained the same, this new world would be observationally indistinguishable from our world. The only thing that counts in the definition of worlds are the values ​​of the dimensionless constants of Nature. If all masses were doubled in value [including the Planck mass mP] you cannot tell because all the pure numbers defined by the ratios of any pair of masses are unchanged.

- Джон Барроу [6]

Будь рівняння, що описує фізичний закон, може бути записано таким чином, щоб всі розмірні величини були унормовані, в результаті чого масштабні величини (так звані необразмеренние) увійдуть до безрозмірні величини. У самому справі, фізики часто вибирають свої одиниці виміру так, що фізичні постійні c, G, h / (2π) і 4πε 0 приймають одиничне значення, в результаті чого кожна фізична величина може бути нормована відповідної планковской одиницею. Таким чином, багато фізиків вважають, що наділення властивістю еволюції розмірних величин в кращому випадку безглуздо, а в гіршому суперечливо [7]. Коли використовуються планковские одиниці і рівняння фізичних законів виражені в такій необразмеренной формі, то зникають всі розмірні фізичні константи, такі як c, G або h, залишаються тільки безрозмірні величини. Позбавлені своїх антропометричних залежностей, одиниці виміру, серед яких вже не буде швидкості світла, гравітаційної постійної або постійної Планка, залишаться в математичних виразах фізичної реальності певного гіпотетичного варіанта. Наприклад, у випадку гравітаційної постійної G відповідні безрозмірні величини будуть в кінцевому рахунку дорівнюють відношенню планковской маси до маси елементарних частинок. Деякі ключові безрозмірні величини (що вважаються константами), залежні від швидкості світла, наприклад, постійна тонкої структури, матимуть значущі розбіжності, і їх можливі зміни є об'єктом досліджень.

В теорії відносності простір-час має 4 виміру одного і того ж фізичного властивості: це тривимірний простір і одномірне час. Коефіцієнт перерахунку часу в довжину дорівнює швидкості світла згідно теорії відносності. Якщо визначення метра в СІ повернути до його формулюванні до 1960 року, коли він визначався як довжина еталонного зразка, то мислимо визначити зміну c (як зворотне кількість часу, витрачений світлом на проходження цього еталона довжини). Може бути, більш важливо інтерпретувати це зміна як зміна безрозмірною величини відношення довжини еталона метра до планковской довжині, або як зміна також безрозмірної величини відношення секунди СІ до планковской часу, або як зміна обох цих величин. Якщо число атомів, що складають еталон метра, залишається незмінним (як це і повинно бути для стабільного еталона), то помітна зміна значення c буде наслідком більш фундаментальної зміни безрозмірного відношення планковской довжини до розміру атома ( Боровському радіусу), або безрозмірного відношення планковской часу до періоду випромінювання цезію-133, або обох цих величин .

Одна група вчених, яка вивчає далекі квазари, оголосила про виявлення ними зміни постійної тонкої структури на величину порядку 10 -5 [8]. Багато оскаржують ці результати, вважаючи, що для виявлення таких змін потрібні прилади з набагато більш високою чутливістю [9] [10] [11]. Більш того, навіть більш жорсткі обмеження, виявлені при вивченні змісту деяких ізотопів в природному ядерному реакторі в Окло, в даний час свідчать про відсутність будь-яких змін [12] [13].

Пол Девіс із співробітниками припустили, що в принципі можна визначити, які з розмірних констант ( елементарний електричний заряд, постійна Планка і швидкість світла), з яких комбінується постійна тонкої структури, є відповідальними за зміни [14]. Однак це було оскаржено іншими вченими, і в даний час не є загальновизнаним [15] [16].


4. Космологія змінної швидкості світла

Космологія змінної швидкості світла була запропонована незалежно один від одного Жаном-П'єром Петі в 1988 році, [17] [18] [19] [20] Джоном Моффат в 1992 році [21] і науковим тандемом у складі Андреаса Альбрехта і Жуана Магейжу в 1998 році [22] [23] [24] [25] [26] [27] для пояснення космологічної проблеми горизонту і пропозиції альтернативи космічної інфляції. Була також запропонована альтернативна модель ПСС. [28]

У моделі ПСС Петі зміна С супроводжується спільним зміною всіх фізичних констант, об'єднаних в зміни масштабних факторів простору і часу, так що всі рівняння і заходи цих констант залишаються незмінними протягом еволюції Всесвіту. Рівняння Ейнштейна залишаються інваріантними при спільних варіаціях C і G, які входять в гравітаційну постійну Ейнштейна. Ця модель обмежує зміна констант верхнім значенням густини енергії ранньому Всесвіті, в самому початку ери домінування енергії, коли простір-час ототожнюється з простором-ентропією в метриці конформно-плоского різноманіття. [29] [30] Слід однак відзначити, що в той час це була перша опублікована модель ПСС і єдина на сьогоднішній день модель, в якій дається закон еволюції, який стосується спільної варіації констант в часі і залишає незмінним фізику процесу. Пізніше ці роботи отримали кілька посилань в ПСС літературі.

Ідея Моффата і команди Альбрехт-Магейжу полягає в тому, що світло поширювався на цілих 60 порядків швидше в ранньому Всесвіті, таким чином, віддалені області розширюється Всесвіту встигли повзаімодействовать на початковому етапі Всесвіту. Зараз не відомі шляхи вирішення проблеми горизонту зі зміною постійної тонкої структури, тому що її зміна не змінює причинний структуру простору-часу. Щоб це зробити, потрібно зміна гравітації шляхом зміни гравітаційної постійної або перегляд спеціальної теорії відносності. Класично, щоб обійти це, космології змінної швидкості світла пропонують варіювати розмірність величини C, зокрема, шляхом скасування Лоренц-ковариантности в загальної та спеціальної теорії відносності Ейнштейна. [31] [32] Більш сучасні формулювання зберігають локальну Лоренц-коваріантного. [24]


Примітки

  1. George FR Ellis (April 2007). "Note on Varying Speed ​​of Light Cosmologies". General Relativity and Gravitation 39 (4): 511-520. DOI : 10.1007/s10714-007-0396-4 - dx.doi.org/10.1007/s10714-007-0396-4. arΧiv : astro-ph/0703751 - arxiv.org/abs/astro-ph/0703751.
  2. JD Jackson Classical Electrodynamics. - 3rd. - Wiley, 1998.
  3. E. Adelberger, G. Dvali and A. Gruzinov, Photon Mass Bound Destroyed By Vortices preprint - arxiv.org/abs/hep-ph/0306245.
  4. R. Feynman QED: the strange theory of light and matter. - Princeton University Press, 1988. - P. 89.
  5. RP Feynman 7 / / Lectures on Physics. - Addison Wesley Longman, 1970. - Vol. 1.
  6. John D. Barrow, The Constants of Nature; From Alpha to Omega - The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe, Pantheon Books, New York, 2002, ISBN 0-375-42221-8.
  7. JP Uzan, "The fundamental constants and their variation: Observational status and theoretical motivations," Rev. Mod. Phys. 75, 403 (2003). arΧiv : hep-ph/0205340 - arxiv.org/abs/hep-ph/0205340
  8. JK Webb, MT Murphy, VV Flambaum, VA Dzuba, JD Barrow, CW Churchill, JX Prochaska and AM Wolfe (2001). "Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant". Phys. Rev.Lett. +87 (9): 091301. DOI : 10.1103/PhysRevLett.87.091301 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.091301. PMID 11531558. arΧiv : astro-ph/0012539 - arxiv.org/abs/astro-ph/0012539
  9. H. Chand, R. Srianand, P. Petitjean and B. Aracil (2004). "Probing the cosmological variation of the fine-structure constant: results based on VLT-UVES sample". Astron. Astrophys. 417 (3): 853. DOI : 10.1051/0004-6361: 20035701 - dx.doi.org/10.1051/0004-6361: 20035701. arΧiv : astro-ph/0401094 - arxiv.org/abs/astro-ph/0401094
  10. R. Srianand, H. Chand, P. Petitjean and B. Aracil (2004). "Limits on the time variation of the electromagnetic ne-structure constant in the low energy limit from absorption lines in the spectra of distant quasars". Phys. Rev. Lett. 92 (12): 121302. DOI : 10.1103/PhysRevLett.92.121302 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.121302. PMID 15089663. arΧiv : astro-ph/0402177 - arxiv.org/abs/astro-ph/0402177
  11. SA Levshakov, M. Centurion, P. Molaro and S. D'Odorico. "VLT / UVES constraints on the cosmological variability of the fine-structure constant". Astron. Astrophys.. arΧiv : astro-ph/0408188 - arxiv.org/abs/astro-ph/0408188
  12. AI Shlyakhter (1976). "Direct test of the constancy of fundamental nuclear constants". Nature 264 (5584): 340. DOI : 10.1038/264340a0 - dx.doi.org/10.1038/264340a0.
  13. T. Damour and F. Dyson (1996). "The Oklo bound on the time variation of the fine-structure constant revisited". Nucl. Phys. B480 (1-2): 37. DOI : 10.1016/S0550-3213 (96) 00467-1 - dx.doi.org/10.1016/S0550-3213 (96) 00467-1. arΧiv : hep-ph/9606486 - arxiv.org/abs/hep-ph/9606486
  14. PCW Davies, Tamara M. Davis, Charles H. Lineweaver (2002). "Cosmology: Black holes constrain varying constants". Nature 418 (6898): 602-603. DOI : 10.1038/418602a - dx.doi.org/10.1038/418602a. PMID 12167848.
  15. MJ Duff, "Comment on time-variation of fundamental constants", arΧiv : hep-th/0208093 - arxiv.org/abs/hep-th/0208093.
  16. S. Carlip and S. Vaidya (2003). "Black holes may not constrain varying constants". Nature 421 (6922): 498. DOI : 10.1038/421498a - dx.doi.org/10.1038/421498a. PMID 12556883. arΧiv : hep-th/0209249 - arxiv.org/abs/hep-th/0209249
  17. JP Petit (1988). "An interpretation of cosmological model with variable light velocity". Mod. Phys. Lett. A 3 (16): 1527-1532. DOI : 10.1142/S0217732388001823 - dx.doi.org/10.1142/S0217732388001823. [1] - www.bigravitytheory.com/pdf/modern_physics_letters_a1.pdf
  18. JP Petit (1988). "Cosmological model with variable light velocity: the interpretation of red shifts". Mod. Phys. Lett. A 3 (18): 1733-1744. DOI : 10.1142/S0217732388002099 - dx.doi.org/10.1142/S0217732388002099. [2] - www.bigravitytheory.com/pdf/modern_physics_letters_a2.pdf
  19. JP Petit, M. Viton (1989). "Gauge cosmological model with variable light velocity. Comparizon with QSO observational data". Mod. Phys. Lett. A 4 (23): 2201-2210. DOI : 10.1142/S0217732389002471 - dx.doi.org/10.1142/S0217732389002471. [3] - www.bigravitytheory.com/pdf/modern_physics_letters_a3.pdf
  20. P. Midy, JP Petit (1989). "Scale invariant cosmology". Int. J. Mod. Phys. D (8): 271-280. [4] - www.bigravitytheory.com / pdf / scale_inv.pdf
  21. J. Moffat (1993). "Superluminary Universe: A Possible Solution to the Initial Value Problem in Cosmology". Int. J. Mod. Phys. D 2 (3): 351-366. DOI : 10.1142/S0218271893000246 - dx.doi.org/10.1142/S0218271893000246. arΧiv : gr-qc/9211020 - arxiv.org/abs/gr-qc/9211020
  22. JD Barrow (1998). "Cosmologies with varying light-speed". arΧiv : astro-ph/9811022 - arxiv.org/abs/astro-ph/9811022
  23. A. Albrecht, J. Magueijo (1999). "A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles". Phys. Rev. D59: 043516. arΧiv : astro-ph/9811018 - arxiv.org/abs/astro-ph/9811018
  24. 1 2 J. Magueijo (2000). "Covariant and locally Lorentz-invariant varying speed of light theories". Phys. Rev. D62: 103521. arΧiv : gr-qc/0007036 - arxiv.org/abs/gr-qc/0007036
  25. J. Magueijo (2001). "Stars and black holes in varying speed of light theories". Phys. Rev. D63: 043502. arΧiv : astro-ph/0010591 - arxiv.org/abs/astro-ph/0010591
  26. J. Magueijo (2003). "New varying speed of light theories". Rept. Prog. Phys. 66 (11): 2025. DOI : 10.1088/0034-4885/66/11/R04 - dx.doi.org/10.1088/0034-4885/66/11/R04. arΧiv : astro-ph/0305457 - arxiv.org/abs/astro-ph/0305457
  27. J. Magueijo Faster Than the Speed ​​of Light: The Story of a Scientific Speculation. - Massachusetts: Perseus Books Group, 2003. - ISBN 0-7382-0525-7
  28. J. Casado (2003). "A Simple Cosmological Model with Decreasing Light Speed". arΧiv : astro-ph/0310178 - arxiv.org/abs/astro-ph/0310178
  29. JP Petit, P. Midy, F. Landsheat (2001). "Twin matter against dark matter" in Int. Conf. on Astr. & Cosm. "Where is the matter?" (See sections 14 and 15 pp. 21-26). [5] - www.bigravitytheory.com/pdf/where_is_the_matter_2001.pdf
  30. JP Petit, G. d'Agostini (2007). "Bigravity: a bimetric model of the Universe with variable constants, including VSL (variable speed of light)" (Int. Meet. Var. Tech. CITV). arΧiv : 0803.1362 - arxiv.org/abs/0803.1362
  31. MA Clayton, JW Moffat (1999). "Dynamical Mechanism for Varying Light Velocity as a Solution to Cosmological Problems". Phys.Lett. B460: 263-270. arΧiv : astro-ph/9812481 - arxiv.org/abs/astro-ph/9812481
  32. BA Bassett, S. Liberati, C. Molina-Paris, M. Visser (2000). "Geometrodynamics of variable-speed-of-light cosmologies". Phys. Rev. D62: 103518. arΧiv : astro-ph/0001441 - arxiv.org/abs/astro-ph/0001441