Variabel ljushastighet

En variabel ljushastighet ( VSL ) är ett särdrag i en familj av hypoteser som säger att ljusets hastighet på något sätt inte kan vara konstant , till exempel att den varierar i rum eller tid, eller beroende på frekvens . Godkända klassiska fysikteorier , och i synnerhet generell relativitetsteori , förutsäger en konstant ljushastighet i vilken lokal referensram som helst och i vissa situationer förutsäger dessa skenbara variationer av ljusets hastighet beroende på referensram, men denna artikel hänvisar inte till detta som en variabel ljushastighet. Olika alternativa teorier om gravitation och kosmologi , många av dem icke-mainstream, innehåller variationer i den lokala ljusets hastighet.

Försök att införliva en variabel ljushastighet i fysiken gjordes av Robert Dicke 1957 och av flera forskare från slutet av 1980-talet.

ska inte förväxlas med teorier om snabbare än ljus , dess beroende av ett mediums brytningsindex eller dess mätning i en fjärrobservatörs referensram i en gravitationspotential . I detta sammanhang hänvisar "ljushastigheten" till teorins begränsande hastighet c snarare än till fotonernas utbredningshastighet .

Historiska förslag

Bakgrund

Einsteins ekvivalensprincip , på vilken den allmänna relativitetsteorien grundar sig, kräver att ljusets hastighet alltid är densamma i varje lokal, fritt fallande referensram. Detta lämnar dock möjligheten öppen att en tröghetsobservatör som härleder den skenbara ljushastigheten i ett avlägset område kan beräkna ett annat värde. Rumslig variation av ljusets hastighet i en gravitationspotential mätt mot en avlägsen observatörs tidsreferens är implicit närvarande i den allmänna relativitetsteorien. Ljusets skenbara hastighet kommer att förändras i ett gravitationsfält och, i synnerhet, gå till noll vid en händelsehorisont sett av en avlägsen observatör. När man härleder gravitationsrödförskjutningen på grund av en sfäriskt symmetrisk massiv kropp, kan en radiell ljushastighet dr / dt definieras i Schwarzschild-koordinater , där t är tiden som registreras på en stationär klocka i oändligheten. Resultatet är

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

₀ där m är MG / c ² och där naturliga enheter används så att c är lika med ett.

Dickes förslag (1957)

Robert Dicke utvecklade 1957 en VSL-teori om gravitation, en teori där (till skillnad från allmän relativitet) ljusets hastighet som mäts lokalt av en fritt fallande observatör kan variera. Dicke antog att både frekvenser och våglängder kunde variera, vilket eftersom $c=\nu \lambda$ resulterade i en relativ förändring av c . Dicke antog ett brytningsindex $n={\frac {c}{c_{0}}}=1+{\frac {2GM}{rc^{2 }}}$ (ekv. 5) och visade att det stämmer överens med det observerade värdet för ljusavböjning. I en kommentar relaterad till Machs princip föreslog Dicke att medan den högra delen av termen i ekv. 5 är liten, den vänstra delen, 1, kan ha "sitt ursprung i resten av materien i universum".

Med tanke på att i ett universum med en ökande horisont bidrar fler och fler massor till ovanstående brytningsindex, övervägde Dicke en kosmologi där c minskade med tiden, vilket gav en alternativ förklaring till den kosmologiska rödförskjutningen .

Efterföljande förslag

Modeller med variabel ljushastighet, inklusive Dickes, har utvecklats som överensstämmer med alla kända tester av allmän relativitet.

Andra modeller hävdar att de belyser likvärdighetsprincipen eller gör en länk till Diracs hypotes om stora siffror .

Flera hypoteser för att variera ljusets hastighet, till synes i motsats till den allmänna relativitetsteorin, har publicerats, inklusive de av Giere och Tan (1986) och Sanejouand (2009). 2003 gav Magueijo en recension av sådana hypoteser.

Kosmologiska modeller med olika ljushastigheter har föreslagits oberoende av Jean-Pierre Petit 1988, John Moffat 1992 och teamet av Andreas Albrecht och João Magueijo 1998 för att förklara kosmologins horisontproblem och föreslå ett alternativ till kosmisk inflation .

Relation till andra konstanter och deras variation

Ytterligare information: Tidsvariation av fundamentala konstanter

Gravitationskonstanten G

Se även: Diracs hypotes om stora tal

1937 började Paul Dirac och andra undersöka konsekvenserna av att naturliga konstanter förändras med tiden. Till exempel föreslog Dirac en förändring av endast 5 delar av 10 ¹¹ per år av den Newtonska gravitationskonstanten G för att förklara gravitationskraftens relativa svaghet jämfört med andra fundamentala krafter . Detta har blivit känt som Diracs stora talhypotes .

Richard Feynman visade dock att gravitationskonstanten med största sannolikhet inte kunde ha förändrats så mycket under de senaste 4 miljarderna åren baserat på observationer av geologiska och solsystem, även om detta kan bero på antaganden om G som varierar i isolering. (Se även stark ekvivalensprincip .)

Finstrukturkonstant α

Se även: Fin-struktur_konstant § Potential_tidsvariation

En grupp, som studerar avlägsna kvasarer, har hävdat att de upptäcker en variation av finstrukturkonstanten på nivån i en del av 10 ⁵ . Andra författare bestrider dessa resultat. Andra grupper som studerar kvasarer hävdar ingen detekterbar variation vid mycket högre känslighet.

Den naturliga kärnreaktorn i Oklo har använts för att kontrollera om den atomära finstrukturkonstanten α kan ha förändrats under de senaste 2 miljarder åren. Det beror på att α påverkar hastigheten för olika kärnreaktioner. Till exempel ¹⁴⁹
Sm
en neutron för att bli ¹⁵⁰
Sm
, och eftersom hastigheten för neutronfångst beror på värdet av α , kan förhållandet mellan de två samariumisotoperna i prover från Oklo användas för att beräkna värdet av α från 2 miljarder för flera år sedan. Flera studier har analyserat de relativa koncentrationerna av radioaktiva isotoper som lämnats kvar vid Oklo, och de flesta har kommit fram till att kärnreaktionerna då var ungefär desamma som de är idag, vilket antyder att α också var detsamma.

Paul Davies och medarbetare har föreslagit att det i princip är möjligt att reda ut vilken av de dimensionella konstanterna ( elementladdningen , Plancks konstant och ljusets hastighet ) som finstrukturkonstanten består av som är ansvarig för variationen. Detta har dock bestridits av andra och är inte allmänt accepterat.

Kritik av olika VSL-koncept

Dimensionslösa och dimensionella mängder

Det måste förtydligas vad en variation i en dimensionsstor kvantitet egentligen betyder, eftersom varje sådan kvantitet kan ändras enbart genom att ändra ens val av enheter. John Barrow skrev:

"[En] viktig lärdom vi lär oss av hur rena tal som α definierar världen är vad det egentligen betyder att världar är olika. Det rena tal vi kallar finstrukturkonstanten och betecknar med α är en kombination av elektronen laddning , e , ljusets hastighet , c , och Plancks konstant , h . Till en början kan vi frestas att tro att en värld där ljusets hastighet var långsammare skulle vara en annan värld. Men detta skulle vara ett misstag. c , h och e ändrades alla så att värdena de har i metriska (eller andra) enheter var olika när vi slog upp dem i våra tabeller med fysiska konstanter, men värdet på α förblev detsamma, den här nya världen skulle vara observationsmässigt omöjlig att skilja från vår värld. Det enda som räknas i definitionen av världar är värdena för naturens dimensionslösa konstanter. Om alla massor hade fördubblats i värde [inklusive Planck- massan m _P ] kan du inte säga eftersom alla de rena talen definieras av förhållandena mellan ett par av massor är oförändrade."

₀₀ Varje ekvation av fysisk lag kan uttryckas i en form där alla dimensionella storheter normaliseras mot likadimensionella kvantiteter (kallad icke-dimensionalisering ), vilket resulterar i att endast dimensionslösa kvantiteter återstår. Faktum är att fysiker kan välja sina enheter så att de fysikaliska konstanterna c , G , ħ = h /(2π) , 4π ε ₀ , och k _B tar värdet ett , vilket resulterar i att varje fysisk storhet normaliseras mot dess motsvarande Planck-enhet . För det har det hävdats att det är meningslöst och inte vettigt att specificera utvecklingen av en dimensionell storhet. När Planck-enheter används och sådana ekvationer av fysikalisk lag uttrycks i denna icke-dimensionaliserade form, finns inga fysiska dimensionskonstanter som c , G , ħ , ε , eller k _B kvar, bara dimensionslösa kvantiteter, som förutspåtts av Buckinghams π-sats . Kort av deras antropometriska enhetsberoende, det finns helt enkelt ingen ljushastighet , gravitationskonstant , eller Planck-konstanten , som återstår i matematiska uttryck av fysisk verklighet för att vara föremål för sådan hypotetisk variation. Till exempel, i fallet med en hypotetiskt varierande gravitationskonstant, G , blir de relevanta dimensionslösa kvantiteterna som potentiellt varierar i slutändan förhållandena mellan Planckmassan och grundpartiklarnas massor . Vissa nyckeldimensionslösa storheter (tros vara konstanta) som är relaterade till ljusets hastighet (bland andra dimensionella storheter som ħ , e , ε ), särskilt finstrukturkonstanten eller proton-till-elektronmassförhållandet , skulle kunna i principen har meningsfull varians och deras möjliga variation fortsätter att studeras.

Allmän kritik av olika kosmologier

Ur en mycket allmän synvinkel uttryckte GFR Ellis och Jean-Philippe Uzan oro för att ett varierande c skulle kräva en omskrivning av mycket av modern fysik för att ersätta det nuvarande systemet som är beroende av en konstant c . Ellis hävdade att varje varierande c- teori (1) måste omdefiniera avståndsmätningar; (2) måste tillhandahålla ett alternativt uttryck för den metriska tensorn i allmän relativitet ; (3) kan motsäga Lorentz invarians; (4) måste modifiera Maxwells ekvationer ; och (5) måste göras konsekvent med hänsyn till alla andra fysikaliska teorier. VSL-kosmologier förblir utanför den vanliga fysiken.

externa länkar

• Är ljusets hastighet konstant? "Varierande konstanter"