Muuttuvan valonnopeuden (VSS) käsitteen mukaan valon nopeus tyhjiössä, jota yleensä merkitään c , ei joissain tapauksissa välttämättä ole vakio . Useimmissa kondensoituneen aineen fysiikan tilanteissa valo etenee väliaineessa todellakin hitaammin kuin tyhjiössä. Lisäksi joissakin kvanttikenttäteorian laskelmissa on tarpeen ottaa huomioon, että virtuaalisten fotonien täytyy liikkua lyhyitä matkoja, mukaan lukien valonnopeudesta poikkeavalla nopeudella, sekä pienemmällä että korkeammalla. Tästä ei kuitenkaan seuraa, että aineen olisi mahdollista liikkua valonnopeutta suuremmalla nopeudella . Vaikka yleisesti katsotaan, että ei ole järkevää määrittää dimensiosuureita, kuten valon nopeutta, muuttumaan ajan myötä (toisin kuin dimensiottomat suuret , kuten hienorakennevakio ), joissakin kiistanalaisissa kosmologian teorioissa valon nopeus vaihtelee erityissuhteellisuusteorian postulaattien muutoksen mukaan . Jos tämä käsite vahvistetaan, suurin osa nykyaikaisesta fysiikasta on kirjoitettava uudelleen - se, joka perustuu valonnopeuden vakioisuuteen [1] .
Uskotaan, että fotonilla , joka on valon hiukkanen ja joka toimii sähkömagneettisen voiman kantajana , ei ole lepomassaa. Niin kutsuttu " Proca-yhtälö " kuvaa teoriaa fotonista, jolla on massa [2] . Teoriassa on mahdollista fotoni, joka on erittäin kevyt, mutta jolla on kuitenkin pieni massa, kuten esimerkiksi neutrino . Tällaiset fotonit voivat kulkea pienemmällä valonnopeudella, joka on määritelty erityisessä suhteellisuusteoriassa . Näillä fotoneilla on kolme polarisaatiosuuntaa . Kvanttikenttäteoriassa nollasta poikkeava fotonimassa ei kuitenkaan ole yhdenmukainen mittarin invarianssin tai renormalisoinnin kanssa, joten se jätetään yleensä huomiotta. Massiivisen fotonin kvanttiteoria voidaan kuitenkin ottaa huomioon tehokkaan kentän teorian Wilsonin approksimaatiossa kvanttikenttäteoriaan, jossa fotonimassan olemassaolo tai puuttuminen generoidaan Higgsin mekanismilla tai tämä massa viedään erityiseen Proca Lagrangean. Tällöin erilaisista havainnoista ja kokeista johtuvat fotonin massan rajoitukset voivat rajoittaa teorian eri parametreja [3] .
Kvanttikenttäteoriassa Heisenbergin epävarmuussuhde osoittaa , että mikä tahansa hiukkanen voi liikkua mielivaltaisilla nopeuksilla lyhyitä aikoja. Teorian Feynman-kaavion tulkinnassa tällaiset hiukkaset tunnetaan " virtuaalisina ", ja ne eroavat toisistaan siinä, että ne etenevät "massakuoren" ( en. ) ulkopuolella ja niillä voi olla mikä tahansa nopeus, joko pienempi tai suurempi kuin valon nopeus. . Lainatakseni Richard Feynmania :
"...Lisäksi valolle on olemassa erilaisia nopeuksia, se voi kulkea nopeammin (tai hitaammin) kuin normaali valonnopeus. Saatat muistaa edelliseltä luennosta, että valo ei aina kulje suoraa linjaa, mutta nyt näet, että se ei aina kulje valon nopeudella! Saattaa yllättyä, että fotoni voi kulkea nopeammin tai hitaammin kuin tavallinen valonnopeus c » [4] .
Nämä virtuaaliset fotonit eivät kuitenkaan riko kausaalisuuden tai erityissuhteellisuuden periaatetta, koska ne eivät ole suoraan havainnoitavissa, eikä tietoa voida välittää ilman syytä. Feynman-kaavioita ja virtuaalisia fotoneja ei tulkita fyysisiksi kuviksi siitä, mitä todella tapahtuu, vaan pikemminkin kätevänä laskentatyökaluna (jossa joissakin tapauksissa voidaan ottaa huomioon valonnopeutta suurempia nopeuksia).
Vuonna 1937 Paul Dirac ja muut tiedemiehet alkoivat tutkia seurauksia, joita luonnon vakioiden muuttaminen ajan myötä voi aiheuttaa. Esimerkiksi Dirac ehdotti muutosta gravitaatiovakioon G vain 5 yksikköä 10-11 vuodessa sen arvosta selittääkseen gravitaatiovoiman suhteellisen heikkouden muihin perusvuorovaikutuksiin verrattuna . Tämä tuli tieteeseen suurena Dirac-luvun arvauksena . Kuitenkin Richard Feynman kuuluisassa luennossaan [5] osoitti geologisten tietojen ja aurinkokunnan havaintojen perusteella, että gravitaatiovakio ei todennäköisesti voinut muuttua niin paljon viimeisen 4 miljardin vuoden aikana (vaikka voidaan olettaa vakio, joka ei vaikuta muihin vakioihin). Nykyiset (2011) G :n muutosnopeuden rajat ovat noin 10 kertaa alhaisemmat kuin Diracin ehdottama arvo.
Ei ole selvää, mitkä ovat ulottuvuuden määrällisten muutosten seuraukset , koska jokainen tällainen muutos johtaa mittayksiköiden muutokseen. John Barrow kirjoittaa:
Tärkeä opetus, jonka opimme siitä, kuinka dimensiottomat vakiot, kuten α, määrittävät maailman, on se, kuinka erilaisia maailmat voivat todellisuudessa olla. Dimensioton vakio, jota kutsumme hienorakennevakioksi ja jota merkitään α:lla, on yhdistelmä elektronin varauksesta e , valon nopeudesta c ja Planckin vakiosta h . A priori saatamme ajatella, että maailma, jossa valon nopeus on pienempi, on erilainen maailma, mutta tämä on virhe. Jos c , h ja e kaikki muutettiin niin, että niiden arvot metrijärjestelmässä (tai missä tahansa muussa järjestelmässä) fyysisten vakioiden taulukoissamme olisivat erilaisia kuin olemassa olevat, mutta α:n arvo säilyi sama, tämä uusi maailma olisi kokeellisesti mahdoton erottaa maailmastamme. Ainoa asia, jolla on merkitystä maailman määrittelyssä, ovat luonnon ulottumattomien vakioiden arvot. Jos kaikki massat kaksinkertaistetaan [mukaan lukien Planckin massa m P ], et löydä mitään, koska kaikki minkä tahansa massaparin suhteen määrittämät dimensioimattomat vakiot pysyvät ennallaan.
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] [] Tärkeä opetus, jonka opimme tavasta, jolla puhtaat luvut, kuten α, määrittelevät maailman, on se, mitä maailmojen erilaisuus todella tarkoittaa. Puhdas luku, jota kutsumme hienorakennevakioksi ja jota merkitään α:lla, on yhdistelmä elektronin varauksesta e, valon nopeudesta c ja Planckin vakiosta h. Aluksi saatamme tuntea houkutusta ajatella, että maailma, jossa valon nopeus on hitaampi, olisi erilainen maailma. Mutta tämä olisi virhe. Jos c, h ja e kaikki muutettiin niin, että niiden metrisissä (tai muissa) yksiköissä olevat arvot olivat erilaisia, kun etsimme niitä fyysisten vakioiden taulukoista, mutta α:n arvo pysyi samana, tämä uusi maailma olisi havainnollisesti mahdoton erottaa maailmastamme. Ainoa asia, jolla on merkitystä maailmojen määrittelyssä, ovat luonnon ulottumattomien vakioiden arvot. Jos kaikki massat kaksinkertaistettiin arvoltaan [mukaan lukien Planckin massa m P ], et voi sanoa, koska kaikki minkä tahansa massaparin suhteilla määritetyt puhtaat luvut ovat muuttumattomia. - John Barrow [6]Mikä tahansa yhtälö, joka kuvaa fysikaalista lakia , voidaan kirjoittaa siten, että kaikki mittasuureet normalisoituvat, minkä seurauksena skaalaussuureet (ns. ei- ulotteiset ) muuttuvat dimensiottomiksi suureiksi . Itse asiassa fyysikot usein valitsevat mittayksikkönsä siten, että fysikaaliset vakiot c , G ja h /2π saavat yksikköarvon, minkä seurauksena jokainen fyysinen suure voidaan normalisoida vastaavalla Planck-yksiköllä . Siten monet fyysikot uskovat, että ominaisuuden antaminen ulottuvuussuureiden kehityksellä on parhaimmillaankin merkityksetöntä ja pahimmillaan ristiriitaista [7] . Kun käytetään Planckin yksiköitä ja fysikaalisten lakien yhtälöt ilmaistaan sellaisessa ei-ulotteisessa muodossa, kaikki ulottuvuusfysikaaliset vakiot, kuten c , G tai h , katoavat jättäen vain dimensioimattomia suureita. Mittayksiköt , joiden joukossa ei enää ole valonnopeutta , gravitaatiovakiota tai Planckin vakiota , jäävät antropometristen riippuvuuksiensa ulkopuolelle tietyn hypoteettisen vaihtoehdon fyysisen todellisuuden matemaattisissa ilmaisuissa. Esimerkiksi gravitaatiovakion G tapauksessa vastaavat dimensiottomat suureet ovat lopulta yhtä suuria kuin Planckin massan suhde alkuainehiukkasten massaan . Joillakin valonnopeudesta riippuvaisilla keskeisillä dimensiottomilla suureilla (joita pidetään vakioina), kuten hienorakennevakiolla , tulee olemaan merkittäviä eroja, ja niiden mahdolliset muutokset ovat tutkimuksen kohteena.
Suhteellisuusteoriassa aika-avaruudella on neljä saman fyysisen ominaisuuden ulottuvuutta: se on kolmiulotteinen tila ja yksiulotteinen aika. Ajan muuntokerroin pituuteen on yhtä suuri kuin valon nopeus suhteellisuusteorian mukaan. Jos mittarin määritelmä SI :ssä palautetaan sen vuotta 1960 edeltävään muotoon, jolloin se määriteltiin standardinäytteen pituudeksi, on ajateltavissa, että c : n muutos voidaan määritellä (käänteisarvona siitä, kuinka kauan se kestää jotta valo kulkee tämän pituusstandardin läpi). Ehkä tärkeämpää on tulkita tämä muutos standardimetrin pituuden suhteen Planckin pituuteen ulottumattoman suuren muutoksena tai SI-sekunnin ja Planckin suhteen myös dimensiottoman suuren muutoksena. aikaa tai näiden molempien määrien muutoksena. Jos metristandardin muodostavien atomien lukumäärä pysyy ennallaan (kuten sen pitäisi olla stabiilille standardille), niin c :n arvon havaittava muutos on seurausta perustavanlaatuisemmasta muutoksesta Planckin pituuden dimensittömässä suhteessa. atomin kokoon ( Bohrin säde ) tai Planckin ajan dimensioimattomaan suhteeseen cesium-133-jakson säteilyyn tai molempiin .
Eräs kaukaisia kvasaareja tutkiva tutkijaryhmä ilmoitti löytäneensä hienorakennevakion muutoksen suuruusluokkaa 10–5 [8] . Monet kiistävät nämä tulokset uskoen, että tällaisten muutosten havaitsemiseen tarvitaan instrumentteja, joilla on paljon suurempi herkkyys [9] [10] [11] . Lisäksi vielä tiukemmat rajoitukset, jotka löydettiin tutkittaessa joidenkin isotooppien pitoisuutta luonnollisessa ydinreaktorissa Oklossa , osoittavat tällä hetkellä, ettei muutoksia ole tapahtunut [12] [13] .
Paul Davies ja työtoverit ehdottivat, että periaatteessa on mahdollista määrittää mitkä mittavakiot ( alkiainevaraus , Planckin vakio ja valonnopeus ), joista hienorakennevakio yhdistetään, ovat vastuussa muutokset [14] . Muut tutkijat ovat kuitenkin kiistäneet tämän, eikä sitä tällä hetkellä hyväksytä [15] [16] .
Vaihtuvan valonnopeuden kosmologiaa ehdottivat itsenäisesti Jean-Pierre Petit vuonna 1988 [17] [18] [19] [20] , John Moffat vuonna 1992 [ 21] ja tieteellinen tandem Andreas Albrecht ja João Mageijo vuonna 1998. 22] [23] [24] [25] [26] [27] selittääkseen kosmologisen horisonttiongelman ja ehdottaakseen vaihtoehtoa kosmiselle inflaatiolle . Vaihtoehtoista PSS-mallia on myös ehdotettu [28] .
Petitin PSS-mallissa c :n muutokseen liittyy yhteinen muutos kaikissa fysikaalisissa vakioissa , jotka yhdistyvät tilan ja ajan skaalaustekijöiden muutoksiksi, niin että kaikki näiden vakioiden yhtälöt ja suuret pysyvät muuttumattomina koko universumin evoluution ajan. Einsteinin yhtälöt pysyvät muuttumattomina c :n ja G :n yhteismuunnelmissa , jotka tulevat Einsteinin gravitaatiovakioon. Tämä malli rajoittaa vakioiden muutoksen varhaisen universumin energiatiheyden ylempään arvoon, aivan energiadominanssin aikakauden alussa , kun aika-avaruus tunnistetaan avaruusentropiaan konformisesti litteän moniston metriikassa [ 29] [30] . On kuitenkin huomattava, että se oli tuolloin ensimmäinen julkaistu PSS-malli ja tähän mennessä ainoa, joka antaa evoluution lain vakioiden yhteisvaihtelulle ajassa ja jättää prosessin fysiikan ennalleen. Myöhemmin näille teoksille annettiin useita viitteitä PSS-kirjallisuudessa.
Moffatin ja Albrecht-Mageijon ryhmän idea on, että varhaisessa universumissa valo eteni 60 suuruusluokkaa nopeammin, joten universumin laajenemisen alkuvaiheessa sen kaukaisilla alueilla oli aikaa olla vuorovaikutuksessa. Tällä hetkellä ei tunneta tapoja ratkaista horisonttiongelmaa hienorakennevakion muutoksella, koska sen muuttaminen ei muuta aika-avaruuden kausaalista rakennetta . Tämä vaatisi todennäköisesti gravitaatiovakion muutoksen sallimista tai erityissuhteellisuusteorian tarkistamista . Tämän ongelman kiertämiseksi valon muuttuvan nopeuden kosmologiassa ehdotetaan c :n mittaa muuttamaan , erityisesti kumoamalla Lorentzin kovarianssi yleisessä ja erityisessä suhteellisuusteoriassa [31] [32] . Nykyaikaisemmat formulaatiot säilyttävät paikallisen Lorentzin kovarianssin [24] .