Enligt konceptet med variabel ljushastighet (VSS) tror man att ljusets hastighet i vakuum, vanligtvis betecknad c , i vissa fall kanske inte är en konstant . I de flesta situationer inom den kondenserade materiens fysik sker utbredningen av ljus i ett medium verkligen i en långsammare hastighet än i ett vakuum. Dessutom, i vissa beräkningar av kvantfältteorin, är det nödvändigt att ta hänsyn till att virtuella fotoner måste röra sig över korta avstånd, inklusive med en hastighet som skiljer sig från ljusets hastighet, både vid en lägre och en högre. Det följer dock inte av detta att det är möjligt för materia att röra sig med en hastighet som är högre än ljusets hastighet .. Även om det allmänt anses vara meningslöst att tillskriva dimensionsstorheter som ljusets hastighet att förändras med tiden (i motsats till dimensionslösa kvantiteter , som finstrukturkonstanten ), i vissa kontroversiella teorier om kosmologi, ljusets hastighet varierar beroende på förändringen i postulaten av speciell relativitet . Om detta koncept bekräftas, kommer det att finnas ett behov av att skriva om det mesta av modern fysik - det som är byggt på ljusets hastighets konstanta [1] .
Man tror att en foton , som är en partikel av ljus och fungerar som en bärare av elektromagnetisk kraft , inte har en vilomassa. Den så kallade " Proca-ekvationen " beskriver teorin om en foton som har massa [2] . Teoretiskt sett är en foton möjlig, som är extremt lätt, men som ändå har en liten massa, som till exempel en neutrino . Sådana fotoner kan färdas med mindre än ljusets hastighet, som definieras i speciell relativitetsteori . Dessa fotoner kommer att ha tre polarisationsriktningar . I kvantfältteorin är dock en fotonmassa som inte är noll förenlig med mätinvarians eller renormalisering , och därför ignoreras den i allmänhet. Ändå kan kvantteorin för en massiv foton betraktas i den Wilsonska approximationen av effektivfältteorin till kvantfältteorin, där närvaron eller frånvaron av en fotonmassa genereras av Higgs-mekanismen, eller denna massa introduceras i en speciell Proca Lagrangian. I ett sådant fall kan gränser för fotonens massa, som härrör från olika observationer och experiment, begränsa olika parametrar i teorin [3] .
Inom kvantfältteorin visar Heisenbergs osäkerhetsrelation att alla partiklar kan röra sig med godtyckliga hastigheter under korta perioder. I Feynman-diagrammets tolkning av teorin är sådana partiklar kända som " virtuella ", och de skiljer sig åt genom att de fortplantar sig utanför "massskalet" ( sv. ) och kan ha vilken hastighet som helst, antingen mindre eller högre än ljusets hastighet . För att citera Richard Feynman :
"...Dessutom finns det en rad hastigheter för ljus, det kan färdas snabbare (eller långsammare) än den normala ljushastigheten. Du kanske minns från förra föreläsningen att ljus inte alltid färdas i en rak linje, men nu ser du att det inte alltid färdas med ljusets hastighet! Det kan förvåna dig att det är möjligt för en foton att färdas snabbare eller långsammare än den vanliga ljushastigheten c » [4] .
Dessa virtuella fotoner bryter dock inte mot principen om kausalitet eller speciell relativitet, eftersom de inte är direkt observerbara och information inte kan överföras utan orsak. Feynman-diagram och virtuella fotoner tolkas inte som fysiska bilder av vad som faktiskt händer, utan snarare som ett bekvämt beräkningsverktyg (som i vissa fall kan ta hänsyn till hastigheter större än ljusets hastighet).
1937 började Paul Dirac och andra forskare studera konsekvenserna av att förändra naturens konstanter över tiden. Till exempel föreslog Dirac en förändring av gravitationskonstanten G på endast 5 enheter av 10-11 per år från dess värde för att förklara gravitationskraftens relativa svaghet jämfört med andra fundamentala interaktioner . Detta kom in i vetenskapen som det stora Dirac-talets gissning . Richard Feynman visade dock i sin berömda föreläsning [5] på basis av geologiska data och observationer av solsystemet att gravitationskonstanten, med största sannolikhet, inte kunde förändras så mycket under de senaste 4 miljarderna åren (även om man kan anta en förändring konstant som inte påverkar andra konstanter). De nuvarande (2011) gränserna för förändringshastigheten för G är cirka 10 gånger lägre än värdet som föreslås av Dirac.
Det är inte klart vilka konsekvenserna av kvantitativa förändringar i dimensionalitet är, eftersom varje sådan förändring kommer att leda till en förändring av måttenheter. John Barrow skriver:
En viktig lärdom vi lär oss av hur dimensionslösa konstanter som α definierar världen är hur olika världar faktiskt kan vara. Den dimensionslösa konstanten, som vi kallar finstrukturkonstanten och betecknas med α, är en kombination av elektronladdningen e , ljusets hastighet c och Plancks konstant h . A priori kan vi tro att en värld där ljusets hastighet blir lägre kommer att vara en annan värld, men detta är ett misstag. Om c , h och e alla ändrades så att värdena de har i det metriska enhetssystemet (eller något annat system) i våra tabeller med fysiska konstanter skilde sig från de befintliga, men värdet på α förblev samma sak skulle den nya världen vara experimentellt omöjlig att skilja från vår värld. Det enda som betyder något för att definiera världen är värdena för naturens dimensionslösa konstanter. Om alla massor fördubblas, [inklusive Planck-massan m P ], kommer du inte att kunna hitta någonting, eftersom alla dimensionslösa konstanter som definieras av förhållandet mellan ett par av massor kommer att förbli oförändrade.
Originaltext (engelska)[ visaDölj] [En] viktig lärdom vi lär oss av hur rena siffror 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 elektronladdningen, e, ljusets hastighet, c, och Plancks konstant, h. Till en början kunde vi frestas att tro att en värld där ljusets hastighet var långsammare skulle vara en annan värld. Men detta skulle vara ett misstag. Om c, h och e alla ändrades 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, detta nya världen skulle observationsmässigt inte kunna skiljas från vår värld. Det enda som räknas i definitionen av världar är värdena för naturens dimensionslösa konstanter. Om alla massor fördubblades i värde [inklusive Planck-massan m P ] kan du inte säga eftersom alla de rena tal som definieras av förhållandena mellan ett par av massor är oförändrade. — John Barrow [6]Varje ekvation som beskriver en fysisk lag kan skrivas på ett sådant sätt att alla dimensionella storheter normaliseras, vilket resulterar i att skalstorheterna (så kallade icke- dimensionella ) går in i dimensionslösa storheter . Faktum är att fysiker ofta väljer sina måttenheter så att de fysikaliska konstanterna c , G och h /2π får ett enhetsvärde, som ett resultat av vilket varje fysisk storhet kan normaliseras av motsvarande Planck-enhet . Sålunda tror många fysiker att det är i bästa fall meningslöst och i värsta fall motsägelsefullt att förse egenskapen med utvecklingen av dimensionella kvantiteter [7] . När Planck-enheter används och ekvationerna för fysikaliska lagar uttrycks i en sådan icke-dimensionell form, försvinner alla dimensionella fysiska konstanter som c , G eller h och lämnar endast dimensionslösa storheter. Berövade sina antropometriska beroenden kommer måttenheter, bland vilka det inte längre kommer att finnas ljusets hastighet , gravitationskonstanten eller Plancks konstant , kvar i de matematiska uttrycken av den fysiska verkligheten av ett visst hypotetiskt alternativ. Till exempel, i fallet med gravitationskonstanten G , kommer motsvarande dimensionslösa kvantiteter slutligen att vara lika med förhållandet mellan Planck-massan och massan av elementarpartiklar . Vissa nyckeldimensionslösa storheter (som anses vara konstanter) som beror på ljusets hastighet, såsom finstrukturkonstanten , kommer att ha betydande avvikelser, och deras möjliga förändringar är föremål för forskning.
I relativitetsteorin har rum-tid 4 dimensioner av samma fysiska egenskap: det är tredimensionellt rum och endimensionell tid. Omvandlingsfaktorn för tid till längd är lika med ljusets hastighet enligt relativitetsteorin. Om definitionen av mätaren i SI återgår till dess formulering före 1960, när den definierades som längden på ett standardprov , så är det tänkbart att definiera förändringen i c (som det ömsesidiga av hur lång tid det tar för ljus att färdas genom denna längdstandard). Kanske är det viktigare att tolka denna förändring som en förändring i den dimensionslösa kvantiteten av förhållandet mellan standardmeterns längd och Plancklängden , eller som en förändring i den också dimensionslösa kvantiteten av förhållandet mellan SI-sekund och Planck tid eller som en förändring av båda dessa kvantiteter. Om antalet atomer som utgör meterstandarden förblir oförändrat (som det borde vara för en stabil standard), så kommer en märkbar förändring i värdet på c att vara resultatet av en mer fundamental förändring i det dimensionslösa förhållandet mellan Plancklängden till storleken på atomen ( Bohr radius ), eller det dimensionslösa förhållandet mellan Planck-tiden och perioden cesium-133-strålning , eller båda .
En grupp forskare som studerar avlägsna kvasarer tillkännagav sin upptäckt av en förändring i finstrukturkonstanten i storleksordningen 10 −5 [8] . Många ifrågasätter dessa resultat och tror att instrument med mycket högre känslighet behövs för att upptäcka sådana förändringar [9] [10] [11] . Ännu strängare restriktioner, som finns i studien av innehållet i vissa isotoper i en naturlig kärnreaktor i Oklo , indikerar för närvarande att det inte finns några förändringar [12] [13] .
Paul Davies och medarbetare föreslog att det i princip är möjligt att bestämma vilka av dimensionskonstanterna ( elementär elektrisk laddning , Plancks konstant och ljusets hastighet ), av vilka finstrukturkonstanten är kombinerad, är ansvariga för ändringar [14] . Detta har dock ifrågasatts av andra vetenskapsmän och är för närvarande inte accepterat [15] [16] .
Kosmologin för variabel ljushastighet föreslogs oberoende av Jean-Pierre Petit 1988 [17] [18] [19] [20] , John Moffat 1992 [21] och den vetenskapliga tandem av Andreas Albrecht och João Mageijo 1998 [ 22] [23] [24] [25] [26] [27] för att förklara problemet med den kosmologiska horisonten och föreslå ett alternativ till kosmisk inflation . En alternativ PSS-modell har också föreslagits [28] .
I Petits PSS-modell åtföljs förändringen i c av en gemensam förändring i alla fysiska konstanter , kombinerade till förändringar i skalfaktorerna för rum och tid, så att alla ekvationer och mått på dessa konstanter förblir oförändrade under hela universums utveckling. Einsteins ekvationer förblir oföränderliga under gemensamma variationer av c och G , som går in i Einsteins gravitationskonstant. Denna modell begränsar förändringen i konstanter till det övre värdet av energitätheten i det tidiga universum, i början av eran av energidominans , när rum-tid identifieras med rymd-entropi i metriken för ett konformt platt grenrör [ 29] [30] . Det bör dock noteras att det vid den tiden var den första publicerade PSS-modellen och den enda hittills som ger evolutionslagen angående den gemensamma variationen av konstanter i tid och lämnar processens fysik oförändrad. Senare fick dessa verk ett antal referenser i litteraturen om PSS.
Idén med Moffat och Albrecht-Mageijo-teamet är att ljuset i det tidiga universum fortplantade sig 60 storleksordningar snabbare, så i det inledande skedet av universums expansion hade dess avlägsna regioner tid att interagera. För närvarande finns det inga kända sätt att lösa horisontproblemet med en förändring i finstrukturkonstanten, eftersom att ändra den inte förändrar den kausala strukturen för rum-tid . Detta skulle sannolikt kräva att man tillåter en förändring av gravitationskonstanten eller en revidering av speciell relativitet . För att kringgå detta problem, i kosmologin av ljusets variabla hastighet, föreslås det att variera dimensionen av c , i synnerhet, genom att upphäva Lorentz-kovariansen i allmänhet och speciell relativitet [31] [32] . Modernare formuleringar bevarar lokal Lorentz-kovarians [24] .