Conform conceptului de viteză variabilă a luminii (VSS), se crede că viteza luminii în vid, de obicei notată c , în unele cazuri poate să nu fie o constantă . În cele mai multe situații din fizica materiei condensate, propagarea luminii într-un mediu are loc într-adevăr cu o rată mai lentă decât în vid. În plus, în unele calcule ale teoriei cuantice a câmpului, este necesar să se țină cont de faptul că fotonii virtuali trebuie să se deplaseze pe distanțe scurte, inclusiv cu o viteză diferită de viteza luminii, atât la una mai mică, cât și la una mai mare. De aici, însă, nu rezultă că este posibil ca materia să se miște cu o viteză mai mare decât viteza luminii . Deși în general se consideră că nu are sens să atribui cantități dimensionale, cum ar fi viteza luminii care se modifică în timp (spre deosebire de cantitățile adimensionale , cum ar fi constanta structurii fine ), în unele teorii controversate ale cosmologiei, viteza luminii variază în funcţie de schimbarea postulatelor relativităţii speciale . Dacă acest concept este confirmat, atunci va fi nevoie de a rescrie cea mai mare parte a fizicii moderne - cea care este construită pe constanța vitezei luminii [1] .
Se crede că un foton , care este o particulă de lumină și acționează ca purtător de forță electromagnetică , nu are o masă în repaus. Așa-numita „ ecuație Proca ” descrie teoria unui foton care are masă [2] . Teoretic, un foton este posibil, care este extrem de ușor, dar, cu toate acestea, are o masă mică, cum ar fi, de exemplu, un neutrin . Astfel de fotoni pot călători cu o viteză mai mică decât viteza luminii, care este definită în relativitatea specială . Acești fotoni vor avea trei direcții de polarizare . Cu toate acestea, în teoria câmpului cuantic, o masă fotonică diferită de zero nu este în concordanță cu invarianța gauge sau cu renormalizarea și, prin urmare, este în general ignorată. Cu toate acestea, teoria cuantică a unui foton masiv poate fi luată în considerare în aproximarea wilsoniană a teoriei câmpului efectiv cu teoria câmpului cuantic, unde prezența sau absența unei mase fotonice este generată de mecanismul Higgs, sau această masă este introdusă într-un mod special. Proca Lagrangian. Într-un astfel de caz, limitele masei fotonului, care decurg din diverse observații și experimente, pot limita diferiți parametri ai teoriei [3] .
În teoria câmpului cuantic, relația de incertitudine Heisenberg arată că orice particule se pot mișca la viteze arbitrare pentru perioade scurte. În interpretarea diagramei Feynman a teoriei, astfel de particule sunt cunoscute sub numele de „ virtuale ” și diferă prin faptul că se propagă în afara „învelișului de masă” ( en. ) și pot avea orice viteză, fie mai mică, fie mai mare decât viteza luminii. . Ca să-l citez pe Richard Feynman :
„… În plus, există o gamă de viteze pentru lumină, aceasta poate călători mai repede (sau mai lent) decât viteza normală a luminii. Poate vă amintiți din prelegerea anterioară că lumina nu călătorește întotdeauna în linie dreaptă, dar acum vedeți că nu călătorește întotdeauna cu viteza luminii! S-ar putea să vă surprindă că este posibil ca un foton să călătorească mai repede sau mai lent decât viteza obișnuită a luminii c » [4] .
Cu toate acestea, acești fotoni virtuali nu încalcă principiul cauzalității sau al relativității speciale, deoarece nu sunt observabili direct, iar informațiile nu pot fi transmise fără motiv. Diagramele Feynman și fotonii virtuali sunt interpretate nu ca imagini fizice ale a ceea ce se întâmplă de fapt, ci mai degrabă ca un instrument de calcul convenabil (care în unele cazuri poate lua în considerare viteze mai mari decât viteza luminii).
În 1937, Paul Dirac și alți oameni de știință au început să studieze consecințele schimbării constantelor naturii în timp. De exemplu, Dirac a sugerat o modificare a constantei gravitaționale G de numai 5 unități de 10-11 pe an de la valoarea acesteia pentru a explica slăbiciunea relativă a forței gravitaționale în comparație cu alte interacțiuni fundamentale . Aceasta a intrat în știință ca conjectura mare a numărului de Dirac . Cu toate acestea, Richard Feynman în celebra sa prelegere [5] a arătat, pe baza datelor geologice și a observațiilor sistemului solar, că, cel mai probabil, constanta gravitațională nu s-a putut schimba atât de mult în ultimii 4 miliarde de ani (deși se poate presupune o schimbare constantă care nu afectează alte constante) . Limitele actuale (2011) ale ratei de schimbare a lui G sunt de aproximativ 10 ori mai mici decât valoarea propusă de Dirac.
Nu este clar care sunt consecințele modificărilor cantitative ale dimensionalității , deoarece orice astfel de schimbare va duce la o schimbare a unităților de măsură. John Barrow scrie:
O lecție importantă pe care o învățăm din modul în care constantele fără dimensiuni precum α definesc lumea este modul în care diferitele lumi pot fi de fapt. Constanta adimensională, pe care o numim constantă de structură fină și notată cu α, este o combinație a sarcinii electronilor e , viteza luminii c și constanta lui Planck h . A priori, putem crede că o lume în care viteza luminii va fi mai mică va fi o lume diferită, dar aceasta este o greșeală. Dacă c , h și e au fost toate modificate astfel încât valorile pe care le au în sistemul metric de unități (sau orice alt sistem) în tabelele noastre de constante fizice să fie diferite de cele existente, dar valoarea lui α a rămas la fel, aceasta lume nouă ar fi imposibil de distins experimental de lumea noastră. Singurul lucru care contează în definirea lumii sunt valorile constantelor adimensionale ale Naturii. Dacă toate masele sunt dublate, [inclusiv masa Planck m P ], nu veți putea găsi nimic, deoarece toate constantele adimensionale definite de raportul oricărei perechi de mase vor rămâne neschimbate.
Text original (engleză)[ arataascunde] [O] lecție importantă pe care o învățăm din modul în care numerele pure precum α definesc lumea este ceea ce înseamnă cu adevărat ca lumile să fie diferite. Numărul pur pe care îl numim constantă de structură fină și notat cu α este o combinație a sarcinii electronului, e, viteza luminii, c și constanta lui Planck, h. La început am putea fi tentați să credem că o lume în care viteza luminii ar fi mai mică ar fi o lume diferită. Dar asta ar fi o greșeală. Dacă c, h și e au fost toate modificate astfel încât valorile pe care le au în unități metrice (sau orice alte) să fie diferite atunci când le-am căutat în tabelele noastre de constante fizice, dar valoarea lui α a rămas aceeași, aceasta lumea nouă ar fi nedistinsă din punct de vedere observațional de lumea noastră. Singurul lucru care contează în definirea lumilor sunt valorile constantelor adimensionale ale Naturii. Dacă toate masele s-au dublat în valoare [inclusiv masa Planck m P ] nu puteți spune deoarece toate numerele pure definite de rapoartele oricărei perechi de mase sunt neschimbate. — John Barrow [6]Orice ecuație care descrie o lege fizică poate fi scrisă în așa fel încât toate mărimile dimensionale să fie normalizate, drept urmare mărimile de scară (așa-numitele non- dimensionale ) intră în mărimi adimensionale . Într-adevăr, fizicienii își aleg adesea unitățile de măsură astfel încât constantele fizice c , G și h /2π să ia o valoare unitară, în urma căreia fiecare mărime fizică poate fi normalizată de unitatea Planck corespunzătoare . Astfel, mulți fizicieni consideră că dotarea proprietății cu evoluția mărimilor dimensionale este în cel mai bun caz lipsită de sens și în cel mai rău caz contradictorie [7] . Când sunt folosite unitățile Planck și ecuațiile legilor fizice sunt exprimate într-o astfel de formă nedimensională, atunci toate constantele fizice dimensionale, cum ar fi c , G sau h , dispar , lăsând doar cantități adimensionale. Private de dependențele lor antropometrice , unitățile de măsură, printre care nu va mai exista viteza luminii , constanta gravitațională sau constanta lui Planck , vor rămâne în expresiile matematice ale realității fizice ale unei anumite opțiuni ipotetice. De exemplu, în cazul constantei gravitaționale G , cantitățile adimensionale corespunzătoare vor fi în cele din urmă egale cu raportul dintre masa Planck și masa particulelor elementare . Unele cantități cheie adimensionale (considerate a fi constante) care depind de viteza luminii, cum ar fi constanta structurii fine , vor avea discrepanțe semnificative, iar posibilele modificări ale acestora fac obiectul cercetării.
În teoria relativității, spațiu-timp are 4 dimensiuni ale aceleiași proprietăți fizice: este spațiu tridimensional și timp unidimensional. Factorul de conversie a timpului în lungime este egal cu viteza luminii conform teoriei relativității. Dacă definiția contorului în SI este revenită la formularea de dinainte de 1960, când a fost definită ca lungimea unui eșantion standard , atunci este posibil să se definească modificarea în c (ca reciprocă a cantității de timp pe care o ia pentru ca lumina să traverseze acest standard de lungime). Poate că este mai important să interpretăm această modificare ca o modificare a mărimii adimensionale a raportului dintre lungimea metrului standard și lungimea Planck , sau ca o modificare a mărimii, de asemenea, adimensionale a raportului dintre secunda SI și Planck . timp sau ca o modificare a ambelor cantități. Dacă numărul de atomi care alcătuiesc standardul contorului rămâne neschimbat (așa cum ar trebui să fie pentru un standard stabil), atunci o schimbare vizibilă a valorii lui c va fi rezultatul unei modificări mai fundamentale a raportului adimensional al lungimii Planck. la dimensiunea atomului ( raza Bohr ), sau raportul adimensional al timpului Planck la radiația perioadei de cesiu-133 , sau ambele .
Un grup de oameni de știință care studiază quasarii îndepărtați și-a anunțat descoperirea unei schimbări a constantei structurii fine de ordinul 10 −5 [8] . Mulți contestă aceste rezultate, considerând că instrumentele cu sensibilitate mult mai mare sunt necesare pentru a detecta astfel de modificări [9] [10] [11] . Mai mult, restricții și mai stricte, găsite în studiul conținutului unor izotopi dintr-un reactor nuclear natural din Oklo , indică în prezent că nu există modificări [12] [13] .
Paul Davies și colaboratorii au sugerat că, în principiu, este posibil să se determine care dintre constantele dimensionale ( sarcina electrică elementară , constanta lui Planck și viteza luminii ), din care este combinată constanta structurii fine, sunt responsabile pentru modificări [14] . Cu toate acestea, acest lucru a fost contestat de alți oameni de știință și nu este acceptat în prezent [15] [16] .
Cosmologia vitezei variabile a luminii a fost propusă independent de Jean-Pierre Petit în 1988 [17] [18] [19] [20] , John Moffat în 1992 [21] și tandemul științific al lui Andreas Albrecht și João Mageijo în 1998 [ 22] [23] [24] [25] [26] [27] pentru a explica problema orizontului cosmologic și a propune o alternativă la inflația cosmică . De asemenea, a fost propus un model alternativ PSS [28] .
În modelul PSS al lui Petit, modificarea în c este însoțită de o modificare comună a tuturor constantelor fizice , combinată cu modificări ale factorilor de scară ai spațiului și timpului, astfel încât toate ecuațiile și măsurile acestor constante rămân neschimbate pe parcursul evoluției Universului. Ecuațiile lui Einstein rămân invariante sub variațiile comune ale lui c și G , care intră în constanta gravitațională a lui Einstein. Acest model limitează schimbarea constantelor la valoarea superioară a densității de energie a Universului timpuriu, chiar la începutul erei dominației energetice , când spațiu-timp este identificat cu spațiu-entropia în metrica unei varietăți conform plane . 29] [30] . Totuși, trebuie remarcat că la acea vreme a fost primul model PSS publicat și singurul până în prezent care dă legea evoluției privind variația comună a constantelor în timp și lasă neschimbată fizica procesului. Mai târziu, acestor lucrări au primit o serie de referințe în literatura despre PSS.
Ideea lui Moffat și a echipei Albrecht-Mageijo este că în Universul timpuriu, lumina s-a propagat cu 60 de ordine de mărime mai repede, astfel, în stadiul inițial al expansiunii Universului, regiunile sale îndepărtate au avut timp să interacționeze. În prezent, nu există modalități cunoscute de a rezolva problema orizontului cu o schimbare a constantei structurii fine, deoarece schimbarea acesteia nu schimbă structura cauzală a spațiului-timp . Acest lucru ar necesita probabil să se permită o schimbare a constantei gravitaționale sau o revizuire a relativității speciale . Pentru a ocoli această problemă, în cosmologia vitezei variabile a luminii, se propune variarea dimensiunii lui c , în special, prin anularea covarianței Lorentz în relativitatea generală și specială [31] [32] . Formulări mai moderne păstrează covarianța Lorentz locală [24] .