Podle konceptu proměnné rychlosti světla (VSS) se má za to, že rychlost světla ve vakuu, obvykle označovaná c , v některých případech nemusí být konstanta . Ve většině situací ve fyzice kondenzovaných látek k šíření světla v médiu skutečně dochází pomaleji než ve vakuu. V některých výpočtech kvantové teorie pole je navíc nutné vzít v úvahu, že virtuální fotony se musí pohybovat na krátké vzdálenosti, včetně rychlosti odlišné od rychlosti světla, a to jak nižší, tak vyšší. Z toho však nevyplývá, že je možné, aby se hmota pohybovala rychlostí větší, než je rychlost světla . Ačkoli se obecně má za to, že nemá smysl přisuzovat rozměrovým veličinám, jako je rychlost světla, aby se měnily s časem (na rozdíl od bezrozměrných veličin , jako je konstanta jemné struktury ), v některých kontroverzních teoriích kosmologie rychlost světla se mění podle změny v postulátech speciální teorie relativity . Pokud se tento koncept potvrdí, pak bude potřeba přepsat většinu moderní fyziky - té, která je postavena na stálosti rychlosti světla [1] .
Předpokládá se, že foton , který je částicí světla a působí jako nosič elektromagnetické síly , nemá klidovou hmotnost. Takzvaná " rovnice Proca " popisuje teorii fotonu, který má hmotnost [2] . Teoreticky je možný foton, který je extrémně lehký, ale přesto má malou hmotnost, jako je například neutrino . Takové fotony se mohou pohybovat rychlostí menší, než je rychlost světla, která je definována ve speciální relativitě . Tyto fotony budou mít tři směry polarizace . V kvantové teorii pole však nenulová hmotnost fotonu není v souladu s kalibrační invariancí nebo renormalizací , a proto je obecně ignorována. Přesto lze o kvantové teorii masivního fotonu uvažovat ve wilsonovské aproximaci teorie efektivního pole ke kvantové teorii pole, kde přítomnost nebo nepřítomnost hmoty fotonu generuje Higgsův mechanismus, nebo se tato hmota zavádí do speciálního Proca Lagrangian. V takovém případě limity hmotnosti fotonu, vyplývající z různých pozorování a experimentů, mohou limitovat různé parametry teorie [3] .
V kvantové teorii pole Heisenbergův vztah neurčitosti ukazuje, že jakékoli částice se mohou pohybovat libovolnou rychlostí po krátkou dobu. Ve výkladu teorie Feynmanovým diagramem jsou takové částice známé jako „ virtuální “ a liší se v tom, že se šíří mimo „hmotnostní obal“ ( en. ) a mohou mít libovolnou rychlost, buď menší nebo větší než rychlost světla. . Abych citoval Richarda Feynmana :
„...Kromě toho existuje řada rychlostí světla, může se pohybovat rychleji (nebo pomaleji), než je normální rychlost světla. Možná si z předchozí přednášky pamatujete, že světlo necestuje vždy přímočaře, ale nyní vidíte, že ne vždy cestuje rychlostí světla! Možná vás překvapí, že je možné, aby se foton pohyboval rychleji nebo pomaleji, než je obvyklá rychlost světla c » [4] .
Tyto virtuální fotony však neporušují princip kauzality nebo speciální teorie relativity, protože nejsou přímo pozorovatelné a informace nemohou být přenášeny bez příčiny. Feynmanovy diagramy a virtuální fotony nejsou interpretovány jako fyzické obrázky toho, co se skutečně děje, ale spíše jako pohodlný výpočetní nástroj (který v některých případech může brát v úvahu rychlosti větší než rychlost světla).
V roce 1937 Paul Dirac a další vědci začali studovat důsledky změny přírodních konstant v průběhu času. Dirac například navrhl změnu gravitační konstanty G pouze o 5 jednotek 10-11 za rok oproti její hodnotě, aby vysvětlil relativní slabost gravitační síly ve srovnání s jinými základními interakcemi . Toto vstoupilo do vědy jako velký odhad Diracova čísla . Richard Feynman však ve své slavné přednášce [5] ukázal na základě geologických dat a pozorování Sluneční soustavy, že gravitační konstanta se s největší pravděpodobností nemohla za poslední 4 miliardy let tolik změnit (ačkoli lze předpokládat změnu konstanta, která neovlivňuje ostatní konstanty) . Současné (2011) limity pro rychlost změny G jsou asi 10krát nižší než hodnota navrhovaná Diracem.
Není jasné, jaké jsou důsledky kvantitativních změn v rozměrech , protože každá taková změna povede ke změně jednotek měření. John Barrow píše:
Důležitou lekcí, kterou se učíme z toho, jak bezrozměrné konstanty jako α definují svět, je to, jak různé světy ve skutečnosti mohou být. Bezrozměrná konstanta, kterou nazýváme konstanta jemné struktury a značíme α, je kombinací elektronového náboje e , rychlosti světla c a Planckovy konstanty h . A priori si můžeme myslet, že svět, ve kterém bude rychlost světla menší, bude jiný svět, ale to je omyl. Pokud byly c , h a e všechny změněny tak, že hodnoty, které mají v metrickém systému jednotek (nebo v jakémkoli jiném systému) v našich tabulkách fyzikálních konstant, byly odlišné od stávajících, ale hodnota α zůstala stejná. stejně, tento nový svět by byl experimentálně k nerozeznání od našeho světa. Jediné, na čem při definování světa záleží, jsou hodnoty bezrozměrných konstant přírody. Pokud jsou všechny hmotnosti zdvojnásobeny, [včetně Planckovy hmotnosti m P ], nic nenajdete, protože všechny bezrozměrné konstanty definované poměrem libovolné dvojice hmotností zůstanou nezměněny.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] [] Důležitá lekce, kterou se učíme ze způsobu, jakým čistá čísla jako α definují svět, je to, co ve skutečnosti znamená, že světy jsou odlišné. Čisté číslo, které nazýváme konstanta jemné struktury a označujeme α, je kombinací elektronového náboje, e, rychlosti světla, c, a Planckovy konstanty, h. Zpočátku bychom mohli být v pokušení myslet si, že svět, ve kterém byla rychlost světla pomalejší, by byl jiný svět. Ale to by byla chyba. Pokud byly c, h a e všechny změněny tak, že hodnoty, které mají v metrických (nebo jakýchkoli jiných) jednotkách, byly různé, když jsme je vyhledali v našich tabulkách fyzikálních konstant, ale hodnota α zůstala stejná, toto nový svět by byl pozorováním k nerozeznání od našeho světa. Jediná věc, která se počítá v definici světů, jsou hodnoty bezrozměrných konstant přírody. Pokud byly hodnoty všech hmotností zdvojnásobeny [včetně Planckovy hmotnosti m P ], nemůžete to říci, protože všechna čistá čísla definovaná poměry libovolné dvojice hmotností jsou nezměněna. — John Barrow [6]Jakoukoli rovnici, která popisuje fyzikální zákon , lze napsat tak, že všechny rozměrové veličiny jsou normalizovány, v důsledku čehož škálové veličiny (tzv. bezrozměrné ) vstupují do bezrozměrných veličin . Fyzici totiž často volí své jednotky měření tak, že fyzikální konstanty c , G a h /2π nabývají jednotkové hodnoty, v důsledku čehož lze každou fyzikální veličinu normalizovat pomocí odpovídající Planckovy jednotky . Mnoho fyziků se tedy domnívá, že vybavit vlastnost vývojem rozměrových veličin je v nejlepším případě nesmyslné a v nejhorším rozporu [7] . Když jsou použity Planckovy jednotky a rovnice fyzikálních zákonů jsou vyjádřeny v takovéto bezrozměrné formě, pak všechny rozměrové fyzikální konstanty jako c , G nebo h zmizí a zůstanou pouze bezrozměrné veličiny. Zbaveny svých antropometrických závislostí jednotky měření, mezi nimiž již nebude rychlost světla , gravitační konstanta nebo Planckova konstanta , zůstanou v matematických vyjádřeních fyzikální reality určité hypotetické možnosti. Například v případě gravitační konstanty G se odpovídající bezrozměrné veličiny nakonec budou rovnat poměru Planckovy hmotnosti k hmotnosti elementárních částic . Některé klíčové bezrozměrné veličiny (považované za konstanty), které závisí na rychlosti světla, jako je konstanta jemné struktury , budou mít značné nesrovnalosti a jejich případné změny jsou předmětem výzkumu.
V teorii relativity má časoprostor 4 dimenze stejné fyzikální vlastnosti: je to trojrozměrný prostor a jednorozměrný čas. Převodní faktor času na délku se rovná rychlosti světla podle teorie relativity. Pokud se definice měřidla v SI vrátí ke své formulaci před rokem 1960, kdy byla definována jako délka standardního vzorku, pak je možné definovat změnu v c (jako převrácenou hodnotu času, který to trvá aby světlo prošlo touto normou délky). Možná je důležitější interpretovat tuto změnu jako změnu bezrozměrné veličiny poměru délky etalonového metru k Planckově délce nebo jako změnu rovněž bezrozměrné veličiny poměru SI sekundy k Planckově délce. času , nebo jako změna obou těchto veličin. Pokud počet atomů, které tvoří etalon metru, zůstane nezměněn (jak by to mělo být pro stabilní etalon), pak bude patrná změna hodnoty c výsledkem zásadnější změny v bezrozměrném poměru Planckovy délky. k velikosti atomu ( Bohrův poloměr ), nebo bezrozměrnému poměru Planckova času k periodě záření césia-133 nebo obojí .
Jedna skupina vědců studujících vzdálené kvasary oznámila svůj objev změny konstanty jemné struktury řádu 10 −5 [8] . Mnozí tyto výsledky zpochybňují a věří, že k detekci takových změn jsou zapotřebí přístroje s mnohem vyšší citlivostí [9] [10] [11] . Navíc ještě přísnější omezení, nalezená při studiu obsahu některých izotopů v přírodním jaderném reaktoru v Oklo , v současnosti naznačují, že nedochází k žádným změnám [12] [13] .
Paul Davies a spolupracovníci navrhli, že je v zásadě možné určit, které z rozměrových konstant ( elementární elektrický náboj , Planckova konstanta a rychlost světla ), z nichž je kombinována konstanta jemné struktury, jsou zodpovědné za změny [14] . Nicméně, toto bylo sporné jinými vědci a není současně přijato [15] [16] .
Kosmologii proměnné rychlosti světla navrhli nezávisle Jean-Pierre Petit v roce 1988 [17] [18] [19] [20] , John Moffat v roce 1992 [21] a vědecký tandem Andreas Albrecht a João Mageijo v roce 1998 [ 22] [23] [24] [25] [26] [27] vysvětlit problém kosmologického horizontu a navrhnout alternativu ke kosmické inflaci . Byl také navržen alternativní model PSS [28] .
V Petitově PSS modelu je změna c doprovázena společnou změnou všech fyzikálních konstant , kombinovanou do změn měřítkových faktorů prostoru a času, takže všechny rovnice a míry těchto konstant zůstávají nezměněny po celou dobu vývoje vesmíru. Einsteinovy rovnice zůstávají invariantní pod společnými variacemi c a G , které vstupují do Einsteinovy gravitační konstanty. Tento model omezuje změnu konstant na horní hodnotu hustoty energie raného vesmíru, na samém počátku éry energetické dominance , kdy je časoprostor ztotožňován s prostorovou entropií v metrice konformně plochého manifoldu [ 29] [30] . Je však třeba poznamenat, že v té době to byl první publikovaný model PSS a dosud jediný, který dává zákon evoluce týkající se společné variace konstant v čase a ponechává fyziku procesu nezměněnou. Později byla na tyto práce uvedena řada odkazů v literatuře o PSS.
Myšlenka Moffata a týmu Albrecht-Mageijo je, že v raném vesmíru se světlo šířilo o 60 řádů rychleji, takže v počáteční fázi expanze vesmíru měly jeho vzdálené oblasti čas na interakci. V současné době nejsou známy žádné způsoby, jak vyřešit problém horizontu se změnou konstanty jemné struktury, protože její změna nemění kauzální strukturu časoprostoru . To by pravděpodobně vyžadovalo změnu gravitační konstanty nebo revizi speciální teorie relativity . Aby se tento problém obešel, v kosmologii proměnné rychlosti světla se navrhuje měnit rozměr c , zejména zrušením Lorentzovy kovariance v obecné a speciální relativitě [31] [32] . Modernější formulace zachovávají místní Lorentzovu kovarianci [24] .