stringtranslate.com

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 , и в некоторых ситуациях они предсказывают кажущиеся изменения скорости света в зависимости от системы отсчета, но в этой статье это не называется переменной скоростью света. Различные альтернативные теории гравитации и космологии , многие из которых не являются основными, включают изменения в локальной скорости света.

Попытки включить переменную скорость света в физику предпринимались Робертом Дикке в 1957 году, а также несколькими исследователями, начиная с конца 1980-х годов.

VSL не следует путать с теориями о скорости, превышающей скорость света , ее зависимостью от показателя преломления среды 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 .

Исторические предложения

Фон

Принцип эквивалентности Эйнштейна , на котором основана общая теория относительности , требует, чтобы в любой локальной, свободно падающей системе отсчета скорость света всегда была одинаковой. [1] [2] Однако это оставляет открытой возможность того, что инерциальный наблюдатель, выводящий кажущуюся скорость света в удаленной области, может вычислить другое значение. Пространственное изменение скорости света в гравитационном потенциале, измеренное относительно отсчета времени удаленного наблюдателя, неявно присутствует в общей теории относительности. [3] Кажущаяся скорость света будет изменяться в гравитационном поле и, в частности, стремиться к нулю на горизонте событий, как видит удаленный наблюдатель. [4] При выводе гравитационного красного смещения из-за сферически симметричного массивного тела, радиальная скорость света dr / dt может быть определена в координатах Шварцшильда , где t — время, зарегистрированное на неподвижных часах на бесконечности. Результат:

где m равно MG / c2 и где используются натуральные единицы измерения , так что c0 равно единице. [5] [6]

Предложение Дикке (1957)

Роберт Дикке в 1957 году разработал теорию гравитации VSL, теорию, в которой (в отличие от общей теории относительности) скорость света, локально измеренная свободно падающим наблюдателем, могла изменяться. [7] Дикке предположил, что могут изменяться как частоты, так и длины волн, что с тех пор приводило к относительному изменению c . Дикке предположил показатель преломления (ур. 5) и доказал, что он согласуется с наблюдаемым значением отклонения света. В комментарии, связанном с принципом Маха , Дикке предположил, что, хотя правая часть члена в уравнении 5 мала, левая часть, 1, может иметь «свое происхождение из оставшейся материи во 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, предложив альтернативное объяснение космологическому красному смещению . [7] : 374 

Последующие предложения

Были разработаны модели переменной скорости света, включая модель Дикке, которые согласуются со всеми известными тестами общей теории относительности. [8]

Другие модели связаны с гипотезой больших чисел Дирака . [9] [ почему? ]

Было опубликовано несколько гипотез о переменной скорости света, которые, по-видимому, противоречат общей теории относительности, включая гипотезы Жиера и Тана (1986) [10] и Санежуана (2009). [11] В 2003 году Магейо дал обзор таких гипотез. [12]

Космологические модели с различными скоростями света [13] были предложены независимо друг от друга Жаном-Пьером Пети в 1988 году [14], Джоном Моффатом в 1992 году [15] и группой Андреаса Альбрехта и Жуана Магейжу в 1998 году [16] для объяснения проблемы горизонта в космологии и предложения альтернативы космической инфляции .

Связь с другими константами и их изменением

Гравитационная постояннаяГ

В 1937 году Поль Дирак и другие начали исследовать последствия изменения естественных констант со временем. [17] Например, Дирак предложил изменение только на 5 частей в 10 11 в год от ньютоновской постоянной тяготения G, чтобы объяснить относительную слабость силы тяготения по сравнению с другими фундаментальными силами . Это стало известно как гипотеза больших чисел Дирака .

Однако Ричард Фейнман показал [18] , что гравитационная постоянная , скорее всего, не могла так сильно измениться за последние 4 миллиарда лет, основываясь на геологических и солнечно-системных наблюдениях, хотя это может зависеть от предположений о том, что G изменяется изолированно. (См. также сильный принцип эквивалентности .)

Постоянная тонкой структурыα

Одна группа, изучающая далекие квазары, заявила, что обнаружила изменение постоянной тонкой структуры [19] на уровне одной части в 10 5 . Другие авторы оспаривают эти результаты. Другие группы, изучающие квазары, заявляют об отсутствии обнаруживаемого изменения при гораздо более высоких чувствительности. [20] [21] [22]

Природный ядерный реактор Окло использовался для проверки того, могла ли атомная постоянная тонкой структуры α измениться за последние 2 миллиарда лет. Это потому, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например,149
См
захватывает нейтрон, чтобы стать150
См
, и поскольку скорость захвата нейтронов зависит от значения α , соотношение двух изотопов самария в образцах из Окло может быть использовано для расчета значения α 2 миллиарда лет назад. Несколько исследований проанализировали относительные концентрации радиоактивных изотопов, оставшихся в Окло, и большинство из них пришли к выводу, что ядерные реакции тогда были такими же, как и сегодня, что подразумевает, что α также было таким же. [23] [24]

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 постоянная тонкой структуры, ответственна за изменение. [25] Однако это оспаривалось другими и не является общепринятым. [26] [27]

Критика различных концепций VSL

Безразмерные и размерные величины

Чтобы прояснить, что на самом деле означает изменение размерной величины, поскольку любую такую ​​величину можно изменить, просто изменив выбор единиц, 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 отличаются. Чистое число, которое мы называем постоянной тонкой структуры и обозначаем α, представляет собой комбинацию заряда электрона e , скорости света c и постоянной Планка h . Сначала мы можем поддаться искушению подумать, что мир, в котором скорость света меньше, будет другим миром. Но это было бы ошибкой. Если бы c , h и e были изменены так, что их значения в метрических (или любых других) единицах были бы другими , когда мы искали их в наших таблицах физических констант, но значение α оставалось бы прежним, этот новый мир был бы наблюдаемо неотличим от нашего мира. Единственное, что имеет значение в определении миров, — это значения безразмерных констант Природы. Если бы все массы были удвоены по значению [включая массу Планка m P ], вы не могли бы сказать этого, потому что все чистые числа, определяемые отношениями любых Пара масс неизменна." [28]

Любое уравнение физического закона может быть выражено в форме, в которой все размерные величины нормализованы по величинам того же размера (называемым безразмерностью ), в результате чего остаются только безразмерные величины . Физики могут выбирать свои единицы так, чтобы физические константы c , G , ħ  =  h /(2π) , 4πε0 и kB принимали значение один , в результате чего каждая физическая величина нормализуется по соответствующей ей единице Планка . По этой причине было заявлено, что указание эволюции размерной величины бессмысленно и не имеет смысла. [ 29] Когда используются единицы Планка и такие уравнения физического закона выражаются в этой безразмерной форме, не остается никаких размерных физических констант, таких как c , G , ħ , ε0 или kB, а остаются только безразмерные величины, как и предсказывает теорема Бекингема о π . За исключением их антропометрической зависимости от единицы, нет скорости света, гравитационной постоянной или постоянной Планка , остающихся в математических выражениях физической реальности, которые могли бы быть подвержены такому гипотетическому изменению. [ требуется ссылка ] Например, в случае гипотетически изменяющейся гравитационной постоянной G соответствующие безразмерные величины, которые потенциально изменяются, в конечном итоге становятся отношениями массы Планка к массам фундаментальных частиц . Некоторые ключевые безразмерные величины (считающиеся постоянными), которые связаны со скоростью света (среди других размерных величин, таких как ħ , e , ε0 ), в частности , постоянная тонкой структуры или отношение масс протона к электрону , в принципе могут иметь значимую дисперсию, и их возможные изменения продолжают изучаться. [29]

Общая критика различныхскосмологии

С очень общей точки зрения, GFR Ellis и Jean-Philippe Uzan выразили обеспокоенность тем, что переменное c потребует переписывания большей части современной физики, чтобы заменить текущую систему, которая зависит от постоянного c . [30] [31] Эллис утверждал, что любая переменная c теория (1) должна переопределить измерения расстояний; (2) должна предоставить альтернативное выражение для метрического тензора в общей теории относительности; (3) может противоречить лоренц-инвариантности; (4) должна модифицировать уравнения Максвелла ; и (5) должна быть выполнена последовательно по отношению ко всем другим физическим теориям. VSL-космологии остаются вне основного течения физики.

Ссылки

  1. ^ Уилл, Клиффорд М. (2018-09-30). Теория и эксперимент в гравитационной физике. Cambridge University Press. стр. 238. ISBN 978-1-108-57749-6.
  2. ^ Мизнер, Чарльз В .; Торн, Кип С.; Уилер , Джон Арчибальд (2017-10-03). Гравитация . Princeton University Press. стр. 297. ISBN 978-1-4008-8909-9.
  3. ^ Вайнберг, С. (1972). Гравитация и космология . Лондон: Wiley. стр. 222. ISBN 9780471925675.
  4. ^ Бергманн, Питер (1992). Загадка гравитации (1-е переиздание с 1968 года). Нью-Йорк: Довер. С. 94. ISBN 978-0-486-27378-5.
  5. ^ Толмен, Ричард (1958). Относительная космология и термодинамика (1-е переиздание с издания 1934 года). Oxford UK: Oxford. стр. 212.
  6. ^ Ставров, Ива (2020). Кривизна пространства и времени, с введением в геометрический анализ . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. стр. 179. ISBN 978-1-4704-6313-7. OCLC  1202475208.
  7. ^ ab Dicke, Robert (1957). «Гравитация без принципа эквивалентности». Reviews of Modern Physics . 29 (3): 363–376. Bibcode : 1957RvMP...29..363D. doi : 10.1103/RevModPhys.29.363.
  8. ^ Брокерт, Дж. (2008). «Пространственно-VSL-модель гравитации с пределом 1-PN ОТО». Основы физики . 38 (5): 409–435. arXiv : gr-qc/0405015 . Bibcode : 2008FoPh...38..409B. doi : 10.1007/s10701-008-9210-8. S2CID  8955243.
  9. ^ Unzicker, A. (2009). «Взгляд на заброшенные вклады в космологию Дирака, Шиамы и Дикке». Annalen der Physik . 521 (1): 57–70. arXiv : 0708.3518 . Bibcode : 2009AnP...521...57U. doi : 10.1002/andp.200810335. S2CID  11248780.
  10. ^ Giere, AC; Tan, A. (1986). «Вывод Хаббла». Китайский журнал физики . 24 (3): 217–219.
  11. ^ Санежуан, Ив-Анри (2009). «Эмпирические свидетельства в пользу переменной скорости света». Europhysics Letters . 88 : 59002. arXiv : 0908.0249 . doi : 10.1209/0295-5075/88/59002. S2CID  121784053.
  12. ^ Magueijo, João (2003). «Новые теории переменной скорости света». Reports on Progress in Physics . 66 (11): 2025–2068. arXiv : astro-ph/0305457 . Bibcode :2003RPPh...66.2025M. doi :10.1088/0034-4885/66/11/R04. S2CID  15716718.
  13. ^ Барроу, Дж. Д. (1998). «Космологии с переменной скоростью света». Physical Review D. 59 ( 4): 043515. arXiv : astro-ph/9811022 . Bibcode : 1999PhRvD..59d3515B. doi : 10.1103/PhysRevD.59.043515. S2CID  119374406.
  14. ^ Пети, Жан-Пьер (1988). «Интерпретация космологической модели с переменной скоростью света» (PDF) . Mod. Phys. Lett. A . 3 (16): 1527–1532. Bibcode :1988MPLA....3.1527P. CiteSeerX 10.1.1.692.9603 . doi :10.1142/S0217732388001823. 
  15. ^ Моффат, Джон (1993). «Сверхсветовая Вселенная: Возможное решение проблемы начального значения в космологии». International Journal of Modern Physics D . 2 (3): 351–366. arXiv : gr-qc/9211020 . Bibcode :1993IJMPD...2..351M. doi :10.1142/S0218271893000246. S2CID  17978194.
  16. ^ Альбрехт, А.; Магейхо, Дж. (1999). «Изменяющаяся во времени скорость света как решение космологических головоломок». Physical Review . D59 (4): 043516. arXiv : astro-ph/9811018 . Bibcode : 1999PhRvD..59d3516A. doi : 10.1103/PhysRevD.59.043516. S2CID  56138144.
  17. ^ Дирак, Поль AM (1938). «Новая основа космологии». Труды Королевского общества A. 165 ( 921): 199–208. Bibcode : 1938RSPSA.165..199D. doi : 10.1098/rspa.1938.0053. S2CID  121069801.
  18. ^ Фейнман, Ричард П.; Лейтон, Р.; Сэндс, М. (2006) [1964]. "7: Теория гравитации". Лекции Фейнмана по физике . Том 1 (окончательное издание). Эддисон Уэсли Лонгман. ISBN 0-8053-9045-6.
  19. ^ Вебб, Дж. К.; Мерфи, М. Т.; Фламбаум, В. В.; Дзуба, В. А.; Барроу, Дж. Д.; Черчилль, К. В.; Прохаска, Дж. Х.; Вольф, АМ (2001). «Дополнительные доказательства космологической эволюции постоянной тонкой структуры». Physical Review Letters . 87 (9): 091301. arXiv : astro-ph/0012539 . Bibcode :2001PhRvL..87i1301W. doi :10.1103/PhysRevLett.87.091301. PMID  11531558. S2CID  40461557.
  20. ^ Чанд, Х.; Шриананд, Р.; Петижан, П.; Арасил, Б. (2004). «Исследование космологической вариации постоянной тонкой структуры: результаты, основанные на выборке VLT-UVES». Astron. Astrophys . 417 (3): 853–871. arXiv : astro-ph/0401094 . Bibcode : 2004A&A...417..853C. doi : 10.1051/0004-6361:20035701. S2CID  17863903.
  21. ^ Шриананд, Р.; Чанд, Х.; Петижан, П.; Арасил, Б. (2004). «Ограничения изменения во времени константы электромагнитной ne-структуры в пределе низких энергий по линиям поглощения в спектрах далеких квазаров». Physical Review Letters . 92 (12): 121302. arXiv : astro-ph/0402177 . Bibcode :2004PhRvL..92l1302S. doi :10.1103/PhysRevLett.92.121302. PMID  15089663. S2CID  29581666.
  22. ^ Левшаков, СА; Центурион, М.; Моларо, П.; Д'Одорико, С. (2005). "Ограничения VLT/UVES на космологическую изменчивость постоянной тонкой структуры". Astron. Astrophys . 434 (3): 827–838. arXiv : astro-ph/0408188 . Bibcode : 2005A&A...434..827L. doi : 10.1051/0004-6361:20041827. S2CID  119351573.
  23. ^ Петров, Ю. В.; Назаров, А. И.; Онегин, М. С.; Сахновский, Э. Г. (2006). "Естественный ядерный реактор в Окло и вариация фундаментальных констант: Расчет нейтронной физики свежего ядра". Physical Review C. 74 ( 6): 064610. arXiv : hep-ph/0506186 . Bibcode : 2006PhRvC..74f4610P. doi : 10.1103/PHYSREVC.74.064610. S2CID  118272311.
  24. ^ Дэвис, Эдвард Д.; Хамдан, Лейла (2015). «Переоценка предела изменения α , подразумеваемого реакторами естественного деления Окло». Physical Review C. 92 ( 1): 014319. arXiv : 1503.06011 . Bibcode : 2015PhRvC..92a4319D. doi : 10.1103/physrevc.92.014319. S2CID  119227720.
  25. ^ Дэвис, PCW; Дэвис, Тамара М.; Лайнуивер, Чарльз Х. (2002). «Космология: Черные дыры ограничивают переменные константы». Nature . 418 (6898): 602–603. Bibcode :2002Natur.418..602D. doi :10.1038/418602a. PMID  12167848. S2CID  1400235.
  26. ^ Дафф, М.Дж. (2002). «Комментарий к изменению во времени фундаментальных констант». arXiv : hep-th/0208093 .
  27. ^ Карлип, С. и Вайдья, С. (2003). «Черные дыры могут не ограничивать изменяющиеся константы». Nature . 421 (6922): 498. arXiv : hep-th/0209249 . Bibcode :2003Natur.421..498C. doi :10.1038/421498a. PMID  12556883. S2CID  209814835.
  28. ^ Джон Д. Барроу , Константы природы; От альфы до омеги — числа, кодирующие самые глубокие тайны Вселенной, Pantheon Books, Нью-Йорк, 2002, ISBN 0-375-42221-8 . 
  29. ^ ab Uzan, Jean-Philippe (2003). «Фундаментальные константы и их вариации: наблюдательный статус и теоретические мотивы». Reviews of Modern Physics . 75 (2): 403–455. arXiv : hep-ph/0205340 . Bibcode :2003RvMP...75..403U. doi :10.1103/RevModPhys.75.403. S2CID  118684485.
  30. ^ Эллис, Джордж FR (апрель 2007 г.). «Заметка о космологии с переменной скоростью света». Общая теория относительности и гравитация . 39 (4): 511–520. arXiv : astro-ph/0703751 . Bibcode : 2007GReGr..39..511E. doi : 10.1007/s10714-007-0396-4. S2CID  119393303.
  31. ^ Эллис, Джордж FR; Узан, Жан-Филипп (март 2005 г.). "c — это скорость света, не так ли?". American Journal of Physics . 73 (3): 240–247. arXiv : gr-qc/0305099 . Bibcode : 2005AmJPh..73..240E. doi : 10.1119/1.1819929. ISSN  0002-9505. S2CID  119530637.

Внешние ссылки