Переменная скорость света

Переменная скорость света ( VSL ) является особенностью семейства гипотез , заявив , что скорость света в вакууме , как правило , обозначается с , может каким - то образом не может быть постоянным, например , изменения в пространстве или во времени, или в зависимости от частоты. Переменная скорость света встречается в некоторых ситуациях классической физики как эквивалентные формулировки принятых теорий, но также и в различных альтернативных теориях гравитации и космологии, многие из которых не являются общепринятыми.

Известные попытки включить переменную скорость света в физику были предприняты Эйнштейном в 1911 году, Робертом Дике в 1957 году и несколькими исследователями, начиная с конца 1980-х годов.

Вместо этого скорость света в вакууме считается постоянной и определяется СИ как 299 792 458 м / с. Следовательно, изменчивость скорости света эквивалентна изменчивости метра СИ и / или секунды СИ .

VSL не следует путать с теориями быстрее света ; не следует также путать это с тем фактом, что скорость света в среде меньше, чем скорость света в вакууме, в зависимости от показателя преломления среды .

Исторические предложения [ править ]

Раннее предложение Эйнштейна (1911 г.) [ править ]

Хотя Эйнштейн впервые упомянул переменную скорость света в 1907 году ^[1], он более тщательно пересмотрел эту идею в 1911 году. ^[2] По аналогии с ситуацией в среде, где более короткая длина волны , с помощью , приводит к более низкой скорости света, Эйнштейн предположил, что часы в гравитационном поле идут медленнее, в результате чего на соответствующие частоты влияет гравитационный потенциал (уравнение 2, стр. 903):${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle c = \ nu \ lambda}$${\ displaystyle \ nu}$

${\ displaystyle \ nu _ {1} = \ nu _ {2} \ left (1 + {\ frac {GM} {rc ^ {2}}} \ right).}$

Эйнштейн прокомментировал (страницы 906–907):

"Aus dem soeben bewiesenen Satze, daß die Lichtgeschwindigkeit im Schwerefelde eine Funktion des Ortes ist, läßt sich leicht mittels des Huygensschen Prinzipes schließen, daß quer zum Schwerefeld sich fortpflanzenfürenfürende Krünchen". («Из только что доказанного утверждения, что скорость света в гравитационном поле является функцией положения, из принципа Гюйгенса легко вывести , что световые лучи, распространяющиеся под прямым углом к ​​гравитационному полю, должны иметь искривление».)

В последующей статье 1912 года ^[3] он пришел к выводу, что:

"Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit kann nur insofern aufrechterhalten werden, als man sich auf für Raum-Zeitliche-Gebiete mit konstantem Gravitationspotential beschränkt." («Принцип постоянства скорости света может быть соблюден только тогда, когда кто-то ограничивается пространственно-временными областями постоянного гравитационного потенциала».)

Однако Эйнштейн вывел отклонение света от Солнца на «почти одну угловую секунду», что составляет лишь половину измеренного значения, позже полученного его общей теорией относительности . Измеренное значение было предоставлено Эддингтоном в 1919 году.

Обновленные предложения Эйнштейна (1905–1915) [ править ]

Альберт Эйнштейн прошел через несколько версий теории скорости света между 1905 и 1915 годами, в конце концов пришел к выводу, что скорость света постоянна, когда гравитацию не нужно учитывать ^[4], но что скорость света не может быть постоянной в гравитационном поле переменной силы. В той же книге Эйнштейн объяснил, что он намеревался сделать скорость света вектором, когда она описывалась координатами в системе отсчета. ^[5]

Эйнштейн не уточнил, изменится ли скорость света в гравитационном поле или изменится только направление вектора; однако это можно неявно пояснить из текста. ^[6] Вычисление альфа ( α ) следует уравнению 107 и однозначно использует переменную скалярную скорость света (L) как в качестве аргумента функции в частных производных (доказывая переменную), так и в качестве знаменателя в дроби (доказывая, что вектор) оба в одном и том же интегрированном количестве. Деление скаляра на вектор не определено, поэтому нет другого способа интерпретировать скорость света в этом использовании, кроме как переменной скалярной скорости.

В этом расчете L = c / c _0, где c ₀ - скорость света в плоском пространстве.

${\ displaystyle \ alpha = \ int _ {- \ infty} ^ {+ \ infty} {\ frac {1} {L}} \ left ({\ frac {\ partial L} {\ partial x_ {1}}} \ right) dx_ {3}}$

Питер Бергманн не был согласен с Эйнштейном, но исключил этот спор из своей предыдущей книги ^[7] в 1942 году, чтобы получить одобрение Эйнштейна. После смерти Эйнштейна Бергманн написал новую книгу ^[8] в 1968 году, утверждая, что векторная скорость света может изменять направление, но не скорость. Это стало преобладающим мнением в науке, но не согласуется с однозначной математикой Эйнштейна. Бергман признал, что кажущаяся скорость света будет изменяться в гравитационном поле и стремиться к нулю на горизонте событий с точки зрения удаленного наблюдателя. ^[9]

Макс Борн согласился с Эйнштейном и заявил, что скорость и направление изменения света в гравитационном поле ^[10] впервые были опубликованы в 1923 г. на английском языке, в 1920 г. на немецком языке. Борн выразил величину скорости света как квадратный корень из (- g ₄₄ / g ₁₁ ) компонентов гравитации в общей теории относительности, чтобы не оставлять сомнений в его намерениях.

Ричард Толман также согласился с Эйнштейном и выразил радиальную скорость света как dr / dt в гравитационном поле. ^[11]

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

где m - MG / c ^2, и где используются натуральные единицы, так что c ₀ равно единице.

Предложение Дике (1957) [ править ]

Роберт Дике в 1957 году разработал родственную VSL-теорию гравитации. ^[12] В отличие от Эйнштейна, Дике предполагал, что изменяются не только частоты, но и длины волн. Поскольку это привело к относительному изменению c вдвое больше, чем считал Эйнштейн. Дике предположил показатель преломления (уравнение 5) и доказал, что он соответствует наблюдаемому значению отклонения света. В комментарии, относящемся к принципу Маха , Дике предположил, что, хотя правая часть члена в ур. 5 мала, левая часть 1 могла иметь «свое происхождение от остальной материи во Вселенной».${\displaystyle c=\nu \lambda }$${\displaystyle n={\frac {c}{c_{0}}}=1+{\frac {2GM}{rc^{2}}}}$

Учитывая, что во Вселенной с увеличивающимся горизонтом все больше и больше масс вносят вклад в указанный выше показатель преломления, Дике рассмотрел космологию, в которой c уменьшается во времени, обеспечивая альтернативное объяснение космологическому красному смещению ^[12] (стр. 374). Теория Дике совместима с определением c в системе СИ, поскольку единицы времени и длины, секунда и метр, могут изменяться согласованно, сохраняя значение c фиксированным (стр. 366).

Последующие предложения [ править ]

Пространственное изменение скорости света ^{[ требуется дальнейшее объяснение ]} неявно присутствует в общей теории относительности, происходя в описании координатного пространства .: ^{[13] [14]}

«обратите внимание, что скорость фотона ... ». ( обозначающий гравитационный потенциал - GM / r )${\displaystyle |u|=1+2\phi +O(v^{3})}$${\displaystyle \phi }$

На основе этого наблюдения были разработаны модели переменной скорости света, в том числе модели Дике, которые согласуются со всеми известными тестами общей теории относительности ^[15], но некоторые из них отличаются для тестов более высокого порядка. ^[16]

Другие модели утверждают, что проливают свет на принцип эквивалентности ^{[ как? ] [17]} или сделайте ссылку на гипотезу больших чисел Дирака . ^{[18] [ почему? ]}

Было опубликовано несколько гипотез переменной скорости света, которые, по-видимому, противоречат общей теории относительности, в том числе гипотезы Гьера и Тана (1986) ^[19] и Санеджуанда (2005). ^{[20] [21]} В 2003 году Магуэйо дал обзор таких гипотез. ^[22]

Современные теории VSL как альтернатива космической инфляции [ править ]

Этот раздел может придавать чрезмерный вес определенным идеям, инцидентам или противоречиям . Пожалуйста, помогите создать более сбалансированную презентацию . Обсудите и устраните эту проблему, прежде чем удалять это сообщение. (Май 2019 г.)

Космология переменной скорости света ^{[ требуется пояснение ]} была предложена независимо Жан-Пьером Пети в 1988 году ^[23] Джоном Моффатом в 1992 году ^[24] и командой Андреаса Альбрехта и Жоао Магуэйо в 1998 году ^[25] для объяснения этого явления. горизонт проблема в космологии и предложить альтернативу космической инфляции .

В модели VSL Пети изменение c сопровождает совместные вариации всех физических констант в сочетании с изменениями пространственных и временных масштабных факторов , так что все уравнения и измерения этих констант остаются неизменными в ходе эволюции Вселенной. Это обеспечивает универсальное калибровочное соотношение и вековое изменение параметров, которые обычно считаются постоянными: ^{[26] [27]}

${\displaystyle G=G_{0}{\sqrt[{3}]{1+{\frac {1}{\tau ^{2}}}}}\quad m={\frac {m_{0}}{\sqrt[{3}]{1+{\frac {1}{\tau ^{2}}}}}}\quad c=c_{0}{\sqrt[{6}]{1+{\frac {1}{\tau ^{2}}}}}}$

${\displaystyle h={\frac {h_{0}}{\sqrt {1+{\frac {1}{\tau ^{2}}}}}}\quad e={\frac {e_{0}}{\sqrt[{6}]{1+{\frac {1}{\tau ^{2}}}}}}\quad \mu ={\frac {\mu _{0}}{\sqrt[{3}]{1+{\frac {1}{\tau ^{2}}}}}}}$

см. рисунок «вековое изменение константы». В уравнении поля Эйнштейна остается неизменным через удобные совместные вариации с и G в гравитационном постоянная Эйнштейне . Согласно этой модели, космологический горизонт растет как R, пространственный масштаб, что обеспечивает однородность первозданной Вселенной, что соответствует данным наблюдений. Последующее развитие модели ограничивает изменение констант более высокой плотностью энергии ранней Вселенной, в самом начале эры доминирования излучения, когда пространство-время отождествляется с пространственной энтропией с метрикой, конформно плоской . ^{[27] [28][29]}

Моффат и команда Альбрехта-Магуэйо представляют идею о том, что скорость света в ранней Вселенной имела очень большое значение, около 10 ³⁵ км / с , таким образом, их модели показывают далекие области расширяющейся Вселенной, взаимодействующие в начале Вселенной ^{[ требуется разъяснение ]} . Там нет никакого известного способа решить проблему горизонта с изменением постоянной тонкой структуры ^{[ разъяснение необходимости ]} , поскольку его изменение не меняет причинную структуру в пространстве - времени . Для этого потребуется ^{[ почему? ]} изменение силы тяжести путем изменения постоянной Ньютонаили переосмысление специальной теории относительности . ^{[ требуется разъяснение ]}

Классический, ^{[ необходимы разъяснения ]} варьируя скорость света космологий предлагает , чтобы обойти это путем изменения dimensionful количества C , нарушая лоренц - инвариантность в Эйнштейне «s теории общей и специальной теории относительности определенным образом. ^{[30] [31]} Магуэйо также предложил формулировку, сохраняющую локальную лоренц-инвариантность. ^[32]

К. Кён фактически перенял идею Альбрехта и Магуэйо ^[33] и исследовал движение релятивистской частицы в двух временных измерениях . ^[34] Он показал, что скорость света зависит от времени как . Однако эта временная зависимость незначительна для текущего состояния / размера Вселенной, что является причиной того, что скорость света в настоящее время кажется постоянной. Однако два временных измерения объясняют, почему скорость света не была постоянной в Ранней Вселенной, как это было предложено Альбрехтом и Магуэйо.${\displaystyle c\sim 1/t}$

Различные другие случаи VSL [ править ]

Виртуальные фотоны [ править ]

Виртуальные фотоны в некоторых вычислениях в квантовой теории поля могут также перемещаться с другой скоростью на короткие расстояния; однако это не означает, что что-либо может двигаться быстрее света . Хотя утверждалось (см. Критику VSL ниже), что никакое значение не может быть приписано размерной величине, такой как скорость света, изменяющаяся во времени (в отличие от безразмерного числа, такого как постоянная тонкой структуры ), в некоторых спорных теориях в космологии, скорость света также меняется за счет изменения постулатов специальной теории относительности . ^{[ необходима цитата ]}

Изменяющаяся скорость фотона [ править ]

Фотон , частица света , которая опосредует электромагнитную силу , как полагает, безмассово. Так называемое действие Прока описывает теорию массивного фотона. ^[35] Классически возможно получить фотон, который очень легкий, но, тем не менее, имеет крошечную массу, как нейтрино . Эти фотоны распространяются со скоростью меньше скорости света, определенной специальной теорией относительности, и имеют три направления поляризации . Однако в квантовой теории поля масса фотона не согласуется с калибровочной инвариантностью или перенормируемостью.и поэтому обычно игнорируется. Однако квантовую теорию массивного фотона можно рассматривать в подходе теории эффективного поля Вильсона к квантовой теории поля, где, в зависимости от того, генерируется ли масса фотона механизмом Хиггса или вводится специальным образом в лагранжиан Прока , ограничения, подразумеваемые различными наблюдениями / экспериментами, могут быть разными. Следовательно, скорость света непостоянна. ^[36]

Различные c в квантовой теории [ править ]

В квантовой теории поля в соотношениях неопределенности Гейзенберга показывают , что фотоны могут перемещаться на любой скорости в течение коротких периодов времени. В интерпретации теории с помощью диаграммы Фейнмана они известны как « виртуальные фотоны » и отличаются тем, что распространяются за пределы массовой оболочки . Эти фотоны могут иметь любую скорость, включая скорости, превышающие скорость света. Цитата Ричарда Фейнмана«... есть также амплитуда, по которой свет движется быстрее (или медленнее), чем обычная скорость света. В последней лекции вы узнали, что свет распространяется не только по прямым линиям; теперь вы обнаружите, что это не движется только со скоростью света! Вас может удивить, что у фотона есть амплитуда, чтобы лететь со скоростью, большей или меньшей, чем обычная скорость, c ". ^[37] Эти виртуальные фотоны, однако, не нарушают причинно-следственную связь или специальную теорию относительности, поскольку они не наблюдаются напрямую, и информация не может передаваться в теории ааузально. Диаграммы Фейнмана и виртуальные фотоны обычно интерпретируются не как физическая картина происходящего, а как удобный инструмент расчета (который в некоторых случаях имеют векторы скорости быстрее скорости света).

Связь с другими константами и их вариациями [ править ]

Гравитационная постоянная G [ править ]

В 1937 году Поль Дирак и другие начали исследовать последствия изменения естественных констант со временем. ^[38] Например, Дирак предложил изменять постоянную Ньютона G только на 5 частей из 10 ¹¹ в год , чтобы объяснить относительную слабость гравитационной силы по сравнению с другими фундаментальными силами . Это стало известно как гипотеза больших чисел Дирака .

Однако Ричард Фейнман показал ^[39], что гравитационная постоянная, скорее всего, не могла так сильно измениться за последние 4 миллиарда лет на основании геологических наблюдений и наблюдений за Солнечной системой (хотя это может зависеть от предположений о том, что постоянная не меняет другие константы). (См. Также строгий принцип эквивалентности .)

Константа тонкой структуры α [ править ]

Одна группа, изучающая далекие квазары, заявила, что обнаружила изменение постоянной тонкой структуры ^[40] на уровне одной части к 10 ⁵ . Другие авторы оспаривают эти результаты. Другие группы, изучающие квазары, заявляют об отсутствии заметных изменений при гораздо более высокой чувствительности. ^{[41] [42] [43]}

За более чем три десятилетия с момента открытия природного ядерного реактора деления в Окло в 1972 году казалось , что еще более строгие ограничения, наложенные изучением содержания определенных изотопов, которые являются продуктами (оценочной) реакции деления, длившейся 2 миллиарда лет, указывают на отсутствие изменений. ^{[44] [45]} Однако Ламоро и Торгерсон из Лос-Аламосской национальной лаборатории провели новый анализ данных из Окло в 2004 году и пришли к выводу, что за последние 2 миллиарда лет α изменилось на 4,5 части в10 ⁸ . Они заявили, что это открытие было «вероятно, с точностью до 20%». Точность зависит от оценок примесей и температуры в естественном реакторе. Эти выводы еще предстоит подтвердить другими исследователями. ^{[46] [47] [48] [ требуется обновление ]}

Пол Дэвис и его сотрудники предположили, что в принципе возможно разделить, какая из размерных констант ( элементарный заряд , постоянная Планка и скорость света ), из которых состоит постоянная тонкой структуры, ответственна за изменение. ^[49] Однако это оспаривается другими и не является общепринятым. ^{[50] [51]}

Критика различных концепций VSL [ править ]

Эта статья или раздел, возможно, содержит синтез материала, который достоверно не упоминает или не относится к основной теме. Соответствующее обсуждение можно найти на странице обсуждения . ( Май 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Безразмерные и размерные величины [ править ]

Следует уточнить, что на самом деле означает изменение размерной величины, поскольку любое такое количество может быть изменено просто путем изменения выбора единиц измерения. Джон Барроу писал:

«[] Важный урок, который мы извлекаем из того, как чистые числа, такие как α, определяют мир, - это то, что на самом деле означает для миров быть разными. Чистое число, которое мы называем постоянной тонкой структуры и обозначаем α, представляет собой комбинацию заряда электрона , e , скорость света , c , и постоянная Планка , h . Сначала мы могли бы подумать, что мир, в котором скорость света меньше, будет другим миром. Но это было бы ошибкой. Если бы c , h и eбыли изменены так, что значения, которые они имеют в метрических (или любых других) единицах, были другими, когда мы искали их в наших таблицах физических констант, но значение α осталось прежним, этот новый мир с точки зрения наблюдения был бы неотличим от нашего мира . Единственное, что имеет значение при определении миров, - это значения безразмерных констант Природы. Если бы все массы были удвоены по величине [включая массу Планка m _P ], вы не можете сказать, потому что все чистые числа, определяемые отношениями любой пары масс, не изменились ». ^[52]

Любое уравнение физического закона может быть выражено в форме, в которой все размерные величины нормированы относительно величин аналогичного размера (так называемое обезразмеривание ), в результате чего остаются только безразмерные величины . Фактически, физики могут выбирать свои единицы так, чтобы физические константы c , G , ħ  =  h / (2π) , 4π ε 0 и k B принимали значение один , в результате чего каждая физическая величина нормализовалась относительно соответствующей ей единицы Планка.. Для этого было заявлено, что определение эволюции размерной величины бессмысленно и не имеет смысла. ^[53] Когда блоки Планка используются и такие уравнения физического закона выражаются в этой обезразмеривания форме, не одномерные физические константы , такие как C , G , ħ , не epsi ; ₀ , ни к _В остаются, только безразмерные величины. Если не считать зависимости от антропометрических единиц, просто не существует скорости света , гравитационной постоянной или постоянной Планка., оставаясь в математических выражениях физической реальности, подвергаться такой гипотетической вариации. ^{[ необходима цитата ]} Например, в случае гипотетически изменяющейся гравитационной постоянной G соответствующие безразмерные величины, которые потенциально меняются, в конечном итоге становятся отношениями массы Планка к массам фундаментальных частиц . Некоторые ключевые величины безразмерные (считается постоянной), которые связаны со скоростью света (среди других размерных величин , таких как ħ , е , ε ₀ ), в частности, постоянной тонкой структуры или соотношение масс протона к-электрона, действительно имеет значимую вариацию, и их возможные вариации продолжают изучаться. ^[54]

Отношение к теории относительности и определение c [ править ]

В частности, что касается VSL, если определение SI- метра было возвращено к определению до 1960 года как длина на прототипе стержня (что сделало возможным изменение меры c ), тогда мыслимое изменение c (величина, обратная величине время, необходимое для прохождения светом этой длины прототипа) можно более фундаментально интерпретировать как изменение безразмерного отношения прототипа измерителя к планковской длине или как безразмерное отношение секунды СИ к планковскому времениили изменение обоих. Если количество атомов, составляющих прототип измерителя, останется неизменным (как и в случае стабильного прототипа), то воспринимаемое изменение значения c будет следствием более фундаментального изменения безразмерного отношения длины Планка к длине. размеров атомов или радиуса Бора, или, альтернативно, как безразмерное отношение планковского времени к периоду конкретного излучения цезия -133 или того и другого. ^{[ необходима цитата ]}

Общая критика космологий с переменным c [ править ]

С очень общей точки зрения, Дж. Эллис выразил обеспокоенность тем, что изменение c потребует переписывания большей части современной физики, чтобы заменить текущую систему, которая зависит от постоянной c. ^[55] Эллис утверждал, что любая изменяющаяся c- теория (1) должна переопределять измерения расстояний (2) должна обеспечивать альтернативное выражение для метрического тензора в общей теории относительности (3) может противоречить лоренц-инвариантности (4) должна изменять уравнения Максвелла (5) должна быть сделано последовательно по отношению ко всем другим физическим теориям. Применимы ли эти опасения к предложениям Эйнштейна (1911) и Дике (1957), остается предметом споров ^[56]. хотя космологии VSL остаются вне основного направления физики.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Постоянна ли скорость света? «Изменяющиеся константы»