stringtranslate.com

Переменная скорость света

Переменная скорость света ( ВСЛ ) — 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 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 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. [3] Кажущаяся скорость света будет меняться в гравитационном поле и, в частности, стремиться к нулю на горизонте событий, если смотреть на него удаленным наблюдателем. [4] 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

где m — МГ / с 2 и где используются натуральные единицы, такие, что с 0 равен единице. [5] [6]

Предложение Дике (1957)

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. [7] Дикке предположил, что и частоты, и длины волн могут меняться, что с тех пор привело к относительному изменению c . Дикке предположил показатель преломления (уравнение 5) и доказал, что он согласуется с наблюдаемым значением отклонения света. В комментарии, касающемся принципа Маха , Дикке предположил, что, хотя правая часть члена в уравнении 5 мало, левая часть, 1, может иметь «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 . [7] : 374 

Последующие предложения

Были разработаны модели переменной скорости света, в том числе модель Дике, которые согласуются со всеми известными тестами общей теории относительности. [8]

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

Было опубликовано несколько гипотез изменения скорости света, по-видимому, противоречащих общей теории относительности, в том числе гипотезы Гиера и Тана (1986) [10] и Санежуанда (2009). [11] В 2003 году Магуэйхо дал обзор таких гипотез. [12]

Для объяснения _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ проблема горизонта космологии и предложить альтернативу космической инфляции .

Связь с другими константами и их изменением

Гравитационная постоянная G

В 1937 году Поль Дирак и другие начали исследовать последствия изменения естественных констант со временем. [17] Например, Дирак предложил изменение всего лишь 5 частей на 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 [18] , 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 .)

Константа тонкой структуры α

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

Природный ядерный реактор Окло использовался для проверки того, могла ли константа тонкой структуры атома α измениться за последние 2 миллиарда лет . Это связано с тем, что α влияет на скорость различных ядерных реакций. Например, 149
см
захватывает нейтрон и становится150
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. [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 константа тонкой структуры, ответственна за изменение. [25] Однако это оспаривается 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 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 , скорость света c и постоянная Планка h . Сначала у нас может возникнуть соблазн подумать, что мир , в котором скорость света была бы медленнее, был бы другим миром. Но это было бы ошибкой. Если c , h и e были изменены так, что значения, которые они имеют 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 будет быть неотличимы с точки зрения наблюдения от нашего мира. Единственное, что имеет значение при определении миров, - это значения безразмерных констант Природы. Если бы все массы были удвоены по значению (включая массу Планка m P ), вы не можете этого сказать, потому что все чистые числа определяемые соотношениями любой пары масс, остаются неизменными». [28]

Любое уравнение физического закона может быть выражено в форме, в которой все размерные величины нормализованы 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. [29] 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 Бэкингем . π-теорема . Если не считать их зависимости от антропометрических единиц, в математических выражениях физической реальности не осталось ни скорости света, ни гравитационной постоянной, ни постоянной Планка , которые могли бы подвергаться таким гипотетическим изменениям. [ нужна цитата ] 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 , 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. [29]

Общая критика различных космологий c

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 . [30] [31] 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.

Рекомендации

  1. ^ Уилл, Клиффорд М. (30 сентября 2018 г.). Теория и эксперимент в гравитационной физике. Издательство Кембриджского университета. п. 238. ИСБН 978-1-108-57749-6.
  2. ^ Миснер, Чарльз В .; Торн, Кип С .; Уилер, Джон Арчибальд (3 октября 2017 г.). Гравитация . Издательство Принстонского университета. п. 297. ИСБН 978-1-4008-8909-9.
  3. ^ Вайнберг, С. (1972). Гравитация и космология . Лондон: Уайли. п. 222. ИСБН 9780471925675.
  4. ^ Бергманн, Питер (1992). Загадка гравитации (1-е переиздание изд. 1968 г.). Нью-Йорк: Дувр. п. 94. ИСБН 978-0-486-27378-5.
  5. ^ Толман, Ричард (1958). Космология относительности и термодинамика (1-е переиздание изд. 1934 г.). Оксфорд Великобритания: Оксфорд. п. 212.
  6. ^ Ставров, Ива (2020). Кривизна пространства и времени, введение в геометрический анализ . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. п. 179. ИСБН 978-1-4704-6313-7. ОКЛК  1202475208.
  7. ^ Аб Дике, Роберт (1957). «Гравитация без принципа эквивалентности». Обзоры современной физики . 29 (3): 363–376. Бибкод : 1957RvMP...29..363D. doi : 10.1103/RevModPhys.29.363.
  8. ^ Брокарт, Дж. (2008). «Пространственно-VSL-гравитационная модель с пределом ОТО 1-PN». Основы физики . 38 (5): 409–435. arXiv : gr-qc/0405015 . Бибкод : 2008FoPh...38..409B. doi : 10.1007/s10701-008-9210-8. S2CID  8955243.
  9. ^ Унцикер, А. (2009). «Взгляд на заброшенные вклады Дирака, Скиамы и Дике в космологию». Аннален дер Физик . 521 (1): 57–70. arXiv : 0708.3518 . Бибкод : 2009АнП...521...57У. дои : 10.1002/andp.200810335. S2CID  11248780.
  10. ^ Жир, AC; Тан, А. (1986). «Происхождение Хаббла». Китайский физический журнал . 24 (3): 217–219.
  11. ^ Санежуанд, Ив-Анри (2009). «Эмпирические доказательства в пользу переменной скорости света». Письма по еврофизике . 88 : 59002. arXiv : 0908.0249 . дои : 10.1209/0295-5075/88/59002. S2CID  121784053.
  12. ^ Магейхо, Жуан (2003). «Новые теории переменной скорости света». Отчеты о прогрессе в физике . 66 (11): 2025–2068. arXiv : astro-ph/0305457 . Бибкод : 2003РПФ...66.2025М. дои : 10.1088/0034-4885/66/11/R04. S2CID  15716718.
  13. ^ Барроу, JD (1998). «Космологии с переменной скоростью света». Физический обзор D . 59 (4): 043515. arXiv : astro-ph/9811022 . Бибкод : 1999PhRvD..59d3515B. doi : 10.1103/PhysRevD.59.043515. S2CID  119374406.
  14. ^ Пети, Жан-Пьер (1988). «Интерпретация космологической модели с переменной скоростью света» (PDF) . Мод. Физ. Летт. А. _ 3 (16): 1527–1532. Бибкод : 1988MPLA....3.1527P. CiteSeerX 10.1.1.692.9603 . дои : 10.1142/S0217732388001823. 
  15. ^ Моффат, Джон (1993). «Сверхсветовая Вселенная: возможное решение проблемы начального значения в космологии». Международный журнал современной физики Д. 2 (3): 351–366. arXiv : gr-qc/9211020 . Бибкод : 1993IJMPD...2..351M. дои : 10.1142/S0218271893000246. S2CID  17978194.
  16. ^ Альбрехт, А.; Магейхо, Дж. (1999). «Изменяющаяся во времени скорость света как решение космологических загадок». Физический обзор . D59 (4): 043516. arXiv : astro-ph/9811018 . Бибкод : 1999PhRvD..59d3516A. doi : 10.1103/PhysRevD.59.043516. S2CID  56138144.
  17. ^ Дирак, Поль AM (1938). «Новая основа космологии». Труды Королевского общества А. 165 (921): 199–208. Бибкод : 1938RSPSA.165..199D. дои : 10.1098/rspa.1938.0053. S2CID  121069801.
  18. ^ Фейнман, Ричард П.; Лейтон, Р.; Сэндс, М. (2006) [1964]. «7: Теория гравитации». Фейнмановские лекции по физике . Том. 1 (окончательное изд.). Эддисон Уэсли Лонгман. ISBN 0-8053-9045-6.
  19. ^ Уэбб, Дж. К.; Мерфи, Монтана; Фламбаум, В.В.; Дзуба, В.А.; Барроу, доктор медицинских наук; Черчилль, CW; Прочаска, JX; Вулф, AM (2001). «Дальнейшие доказательства космологической эволюции постоянной тонкой структуры». Письма о физических отзывах . 87 (9): 091301. arXiv : astro-ph/0012539 . Бибкод : 2001PhRvL..87i1301W. doi :10.1103/PhysRevLett.87.091301. PMID  11531558. S2CID  40461557.
  20. ^ Чанд, Х.; Сриананд, Р.; Петижан, П.; Арасил, Б. (2004). «Исследование космологического изменения постоянной тонкой структуры: результаты на основе образца VLT-UVES». Астрон. Астрофизика . 417 (3): 853–871. arXiv : astro-ph/0401094 . Бибкод : 2004A&A...417..853C. дои : 10.1051/0004-6361: 20035701. S2CID  17863903.
  21. ^ Сриананд, Р.; Чанд, Х.; Петижан, П.; Арасил, Б. (2004). «Пределы изменения во времени константы электромагнитной ne-структуры в низкоэнергетическом пределе по линиям поглощения в спектрах далеких квазаров». Письма о физических отзывах . 92 (12): 121302. arXiv : astro-ph/0402177 . Бибкод : 2004PhRvL..92l1302S. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.121302. PMID  15089663. S2CID  29581666.
  22. ^ Левшаков, С.А.; Центурион, М.; Моларо, П.; Д'Одорико, С. (2005). «Ограничения VLT/UVES на космологическую изменчивость постоянной тонкой структуры». Астрон. Астрофизика . 434 (3): 827–838. arXiv : astro-ph/0408188 . Бибкод : 2005A&A...434..827L. дои : 10.1051/0004-6361:20041827. S2CID  119351573.
  23. ^ Петров, Ю. В.; Назаров А.И.; Онегин, М.С.; Сахновский, Э.Г. (2006). «Природный ядерный реактор в Окло и изменение фундаментальных констант: расчет нейтронофизики свежей активной зоны». Физический обзор C . 74 (6): 064610. arXiv : hep-ph/0506186 . Бибкод : 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». Физический обзор C . 92 (1): 014319. arXiv : 1503.06011 . Бибкод : 2015PhRvC..92a4319D. doi : 10.1103/physrevc.92.014319. S2CID  119227720.
  25. ^ Дэвис, PCW; Дэвис, Тамара М.; Лайнуивер, Чарльз Х. (2002). «Космология: черные дыры ограничивают изменяющиеся константы». Природа . 418 (6898): 602–603. Бибкод : 2002Natur.418..602D. дои : 10.1038/418602a. PMID  12167848. S2CID  1400235.
  26. ^ Дафф, MJ (2002). «Комментарий к изменению фундаментальных констант во времени». arXiv : hep-th/0208093 .
  27. ^ Карлип, С. и Вайдья, С. (2003). «Черные дыры не могут ограничивать изменяющиеся константы». Природа . 421 (6922): 498. arXiv : hep-th/0209249 . Бибкод : 2003Natur.421..498C. дои : 10.1038/421498a. PMID  12556883. S2CID  209814835.
  28. ^ Джон Д. Барроу , Константы природы; От альфы до омеги – числа, которые кодируют глубочайшие тайны Вселенной, Pantheon Books, Нью-Йорк, 2002, ISBN 0-375-42221-8 . 
  29. ^ аб Узан, Жан-Филипп (2003). «Фундаментальные константы и их вариации: статус наблюдений и теоретические мотивы». Обзоры современной физики . 75 (2): 403–455. arXiv : hep-ph/0205340 . Бибкод : 2003РвМП...75..403У. doi : 10.1103/RevModPhys.75.403. S2CID  118684485.
  30. ^ Эллис, Джордж Ф.Р. (апрель 2007 г.). «Заметка о переменной скорости света в космологии». Общая теория относительности и гравитация . 39 (4): 511–520. arXiv : astro-ph/0703751 . Бибкод : 2007GReGr..39..511E. дои : 10.1007/s10714-007-0396-4. S2CID  119393303.
  31. ^ Эллис, Джордж Ф.Р.; Узан, Жан-Филипп (март 2005 г.). «c — это скорость света, не так ли?». Американский журнал физики . 73 (3): 240–247. arXiv : gr-qc/0305099 . Бибкод : 2005AmJPh..73..240E. дои : 10.1119/1.1819929. ISSN  0002-9505. S2CID  119530637.

Внешние ссылки