光の速度は変化する

可変光速（VSL）は、光の速度が何らかの形で一定ではない可能性があることを示す仮説群の特徴であり、たとえば、光速は空間や時間によって変化したり、周波数に応じて変化したりします。物理学の受け入れられた古典理論、特に一般相対性理論は、任意の局所 参照フレームで光の速度が一定であると予測し、状況によっては参照フレームに応じて光の速度が明らかに変化すると予測しますが、この記事ではこれを可変光速とは呼びません。重力と宇宙論のさまざまな代替理論（その多くは非主流）は、局所的な光の速度の変化を取り入れています。

光の可変速度を物理学に取り入れようとする試みは、 1957 年にロバート ディッケによって行われ、1980 年代後半からは数人の研究者によって行われました。

VSL は、光より速い理論、媒体の屈折率への依存性、または重力ポテンシャルにおける遠隔観測者の参照フレームでの測定と混同しないでください。この文脈では、「光速」は光子の伝播速度ではなく、理論の限界速度cを指します。

一般相対性理論の基礎となっているアインシュタインの等価原理は、自由落下する任意の局所的な基準系において、光速度は常に同じであることを要求する。^{[1] [2]}しかし、これにより、遠方の領域における見かけの光速度を推測する慣性観測者が、異なる値を計算する可能性が残される。遠方の観測者の時間基準に対して測定された重力ポテンシャルにおける光速度の空間的変化は、一般相対性理論に暗黙的に存在する。^[3]見かけの光速度は重力場内で変化し、特に遠方の観測者から見た事象の地平線でゼロになる。^{[4]球対称の巨大な物体による}重力赤方偏移を導く際に、光の半径方向の速度dr / dt をシュワルツシルト座標で定義することができる。t は、無限遠にある静止した時計に記録された時間である。結果は次のようになる。

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

ここでmはMG / c ²であり、c ₀が1となるような自然単位が使用される。 ^{[5] [6]}

ロバート・ディッケは、1957 年に重力の VSL 理論を考案しました。これは、（一般相対性理論とは異なり）自由落下する観測者によって局所的に測定される光の速度が変化する可能性があるという理論です。^[7]ディッケは、周波数と波長の両方が変化する可能性があると仮定し、その結果cの相対的な変化が生じました。ディッケは屈折率（式 5）を仮定し、それが光の偏向の観測値と一致することを証明しました。マッハの原理に関連するコメントで、ディッケは、式 5 の項の右側の部分は小さいが、左側の部分 1 は「宇宙の残りの物質に起源を持つ可能性がある」と示唆しました。 ${\displaystyle c=\nu \lambda }$${\displaystyle n={\frac {c}{c_{0}}}=1+{\frac {2GM}{rc^{2}}}}$

宇宙の地平線が広がるにつれて、上記の屈折率に寄与する質量がますます増えていくことを考慮して、ディッケはcが時間とともに減少する宇宙論を考察し、宇宙論的赤方偏移に対する別の説明を提供した。^{[7] : 374}

ディッケのモデルを含む可変光速度モデルは、一般相対性理論の既知のすべてのテストと一致するように開発されている。^[8]

他のモデルはディラックの大数仮説と関連している。^{[9] [なぜ? ]}

一般相対性理論と一見矛盾する、光速度の変化に関するいくつかの仮説が発表されているが、その中にはGiereとTan（1986）^[10]やSanejouand（2009）^[11]の仮説も含まれている。 2003年に、Magueijoはそのような仮説のレビューを行った。^[12]

光の速度が変化する宇宙モデル^[13]は、1988年にジャン＝ピエール・プティ^{[14] 、1992年に} ジョン・モファット^[15]、1998年にアンドレアス・アルブレヒトとジョアン・マグエイジョのチーム^{[16]によってそれぞれ独立に提案され、}宇宙論の地平線問題を説明し、宇宙インフレーションの代替案を提案した。

1937年、ポール・ディラックらは、自然定数が時間とともに変化することの影響を調査し始めた。^[17]例えば、ディラックは、ニュートンの万有引力定数Gが年間10の^{11乗のわずか5倍しか変化しないと提案し、他の}基本的な力と比較した重力の相対的な弱さを説明しました。これはディラックの大数仮説として知られるようになりました。

しかし、リチャード・ファインマンは^[18]、地質学と太陽系の観測に基づいて、過去40億年間で重力定数がこれほど変化することはほとんどあり得ないことを示しました。ただし、これはGが単独で変化するという仮定に依存する可能性があります。（強い等価原理も参照。）

^{遠方のクエーサーを研究しているあるグループは、10 5}分の1のレベルで微細構造定数^[19]の変化を検出したと主張している。他の研究者はこの結果に異議を唱えている。クエーサーを研究している他のグループは、はるかに高い感度でも変化は検出できないと主張している。^{[20] [21] [22]}

オクロの天然原子炉は、原子微細構造定数αが過去20億年の間に変化したかどうかを確認するために使用されました。これは、αがさまざまな核反応の速度に影響を与えるためです。たとえば、 ¹⁴⁹
小
中性子を捕獲して¹⁵⁰
小
中性子捕獲率はαの値に依存するため、オクロのサンプルに含まれる2つのサマリウム同位体の比率を使用して、20億年前のαの値を計算することができます。いくつかの研究でオクロに残された放射性同位体の相対濃度が分析されており、ほとんどの研究で当時の核反応は現在とほとんど同じであり、αも同じであったことが示唆されています。^{[23] [24]}

ポール・デイヴィスと共同研究者は、微細構造定数を構成する次元定数（素電荷、プランク定数、光速）のどれが変化の原因であるかを解明することは原理的には可能であると示唆している。^[25]しかし、これには異論があり、一般には受け入れられていない。^{[26] [27]}

次元量の変化が実際に何を意味するのかを明確にするために、ジョン・バローは次のように書いています。 「次元量は単位の選択を変えるだけで変更できるためです。」

「 αのような純粋な数が世界を定義する方法から得られる重要な教訓は、世界が異なっていることの本当の意味です。微細構造定数と呼ばれ、 αで表す純粋な数は、電子の電荷、e、光の速度、c、プランク定数、hの組み合わせです。最初は、光速度が遅い世界は別の世界であると考えがちですが、これは間違いです。c 、h、e がすべて変更され、物理定数の表で調べたときにメートル法 (またはその他の単位) での値が異なる場合でも、α の値が同じままであれば、この新しい世界は観測的に私たちの世界と区別がつかないでしょう。世界の定義で考慮されるのは、自然界の無次元定数の値だけです。すべての質量の値が 2 倍になった場合 (プランク質量m _Pを含む)、任意の質量のペアの比で定義されるすべての純粋な数は、質量は変化しない。」^[28]

物理法則のあらゆる方程式は、すべての次元の量を同次元の量に対して正規化した形式（無次元化と呼ばれる）で表現することができ、その結果、無次元量だけが残る。物理学者は、物理定数c、G、ħ  =  h /(2π)、4π ε ₀、およびk _{B が}値1を取るように単位を選択でき、その結果、すべての物理量が対応するプランク単位に対して正規化される。そのため、次元量の進化を特定することは無意味であり、意味をなさないと主張されてきた。^[29]プランク単位が使用され、そのような物理法則の方程式がこのような無次元化された形式で表現されると、c、G、ħ、ε ₀、またはk _Bなどの次元の物理定数は残らず、バッキンガムのπ定理によって予測されるように、無次元量だけが残る。人体測定単位依存性を除けば、光速、万有引力定数、プランク定数は、物理的現実の数学的表現の中に、そのような仮説的変動の影響を受けるものは残っていない。^{[要出典]たとえば、仮説的に変化する万有引力定数}Gの場合、潜在的に変化する関連する無次元量は、最終的にはプランク質量と基本粒子の質量の比になる。光速に関連するいくつかの重要な無次元量（定数と考えられている）（ħ、e、ε0などの他の次元量の中でも_）、特に微細構造定数や陽子対電子質量比は、原理的に意味のある変動を持つ可能性があり、その変動の可能性は引き続き研究されている。^[29]

非常に一般的な観点から、GFRエリスとジャン＝フィリップ・ウザンは、変化するc は、定数cに依存する現在のシステムを置き換えるために現代物理学の多くを書き直す必要があるという懸念を表明した。^{[30] [31]}エリスは、変化するc理論は(1)距離の測定を再定義する必要がある、(2)一般相対性理論における計量テンソルの代替表現を提供する必要がある、(3)ローレンツ不変性と矛盾する可能性がある、(4)マクスウェル方程式を修正する必要がある、(5)他のすべての物理理論に関して一貫して行う必要があると主張した。VSL宇宙論は主流物理学から外れたままである。

• 光の速度は一定ですか?「変化する定数」