De acuerdo con el concepto de velocidad variable de la luz (VSS), se cree que la velocidad de la luz en el vacío, generalmente denotada como c , en algunos casos puede no ser una constante . En la mayoría de las situaciones de la física de la materia condensada, la propagación de la luz en un medio ocurre a un ritmo más lento que en el vacío. Además, en algunos cálculos de la teoría cuántica de campos, es necesario tener en cuenta que los fotones virtuales deben moverse en distancias cortas, incluso a una velocidad diferente a la de la luz, tanto a una inferior como a una superior. Sin embargo, de esto no se sigue que sea posible que la materia se mueva a una velocidad mayor que la velocidad de la luz .. Aunque generalmente se sostiene que no tiene sentido atribuir cantidades dimensionales como la velocidad de la luz a cambios con el tiempo (a diferencia de cantidades adimensionales , como la constante de estructura fina ), en algunas teorías controvertidas de cosmología, la velocidad de la luz varía según el cambio en los postulados de la relatividad especial . Si se confirma este concepto, será necesario reescribir la mayor parte de la física moderna, la que se basa en la constancia de la velocidad de la luz [1] .
Se cree que un fotón , que es una partícula de luz y actúa como portador de fuerza electromagnética , no tiene masa en reposo. La llamada " ecuación de Proca " describe la teoría de un fotón que tiene masa [2] . Teóricamente, es posible un fotón, que es extremadamente ligero, pero, sin embargo, tiene una masa pequeña, como, por ejemplo, un neutrino . Dichos fotones pueden viajar a menos de la velocidad de la luz, que se define en la relatividad especial . Estos fotones tendrán tres direcciones de polarización . Sin embargo, en la teoría cuántica de campos, una masa fotónica distinta de cero no es consistente con la invariancia de calibre o la renormalización , por lo que generalmente se ignora. Sin embargo, la teoría cuántica de un fotón masivo se puede considerar en la aproximación wilsoniana de la teoría del campo efectivo a la teoría del campo cuántico, donde la presencia o ausencia de una masa fotónica es generada por el mecanismo de Higgs, o esta masa es introducida en un espacio especial. Proca Lagrangiano. En tal caso, los límites de la masa del fotón, derivados de varias observaciones y experimentos, pueden limitar varios parámetros de la teoría [3] .
En la teoría cuántica de campos, la relación de incertidumbre de Heisenberg muestra que cualquier partícula puede moverse a velocidades arbitrarias durante períodos cortos. En la interpretación del diagrama de Feynman de la teoría, tales partículas se conocen como " virtuales ", y se diferencian en que se propagan fuera de la "capa de masa" ( en. ) y pueden tener cualquier velocidad, ya sea menor o mayor que la velocidad de la luz . . Para citar a Richard Feynman :
“...Además, hay un rango de velocidades para la luz, puede viajar más rápido (o más lento) que la velocidad normal de la luz. Puede que recuerdes de la lección anterior que la luz no siempre viaja en línea recta, ¡pero ahora ves que no siempre viaja a la velocidad de la luz! Puede que le sorprenda que sea posible que un fotón viaje más rápido o más lento que la velocidad habitual de la luz c » [4] .
Sin embargo, estos fotones virtuales no violan el principio de causalidad o relatividad especial, ya que no son directamente observables y la información no se puede transmitir sin causa. Los diagramas de Feynman y los fotones virtuales no se interpretan como imágenes físicas de lo que realmente está sucediendo, sino como una herramienta de cálculo conveniente (que en algunos casos puede tener en cuenta velocidades mayores que la velocidad de la luz).
En 1937, Paul Dirac y otros científicos comenzaron a estudiar las consecuencias de cambiar las constantes de la naturaleza a lo largo del tiempo. Por ejemplo, Dirac sugirió un cambio en la constante gravitatoria G de solo 5 unidades de 10 −11 por año a partir de su valor para explicar la relativa debilidad de la fuerza gravitatoria en comparación con otras interacciones fundamentales . Esto entró en la ciencia como la conjetura del gran número de Dirac . Sin embargo, Richard Feynman en su famosa conferencia [5] mostró sobre la base de datos geológicos y observaciones del sistema solar que la constante gravitacional, muy probablemente, no podría cambiar tanto en los últimos 4 mil millones de años (aunque se puede suponer un cambio). constante que no afecta a otras constantes). Los límites actuales (2011) de la tasa de cambio de G son unas 10 veces inferiores al valor propuesto por Dirac.
No está claro cuáles son las consecuencias de los cambios cuantitativos en la dimensionalidad , ya que cualquier cambio de este tipo conducirá a un cambio en las unidades de medida. Juan Barrow escribe:
Una lección importante que aprendemos de cómo las constantes adimensionales como α definen el mundo es cómo pueden ser realmente los diferentes mundos. La constante adimensional, que llamamos constante de estructura fina y denotada por α, es una combinación de la carga del electrón e , la velocidad de la luz c y la constante de Planck h . A priori, podemos pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz sea menor será un mundo diferente, pero esto es un error. Si c , h , y e se cambiaran todos de manera que los valores que tienen en el sistema métrico de unidades (o cualquier otro sistema) en nuestras tablas de constantes físicas fueran diferentes a los existentes, pero el valor de α se mantuviera igual mismo, este el nuevo mundo sería experimentalmente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que importa a la hora de definir el mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza. Si todas las masas se duplican, [incluida la masa de Planck m P ], no podrá encontrar nada, porque todas las constantes adimensionales definidas por la relación de cualquier par de masas permanecerán sin cambios.
Texto original (inglés)[ mostrarocultar] [Una] lección importante que aprendemos de la forma en que los números puros como α definen el mundo es lo que realmente significa que los mundos sean diferentes. El número puro que llamamos constante de estructura fina y denotamos por α es una combinación de la carga del electrón, e, la velocidad de la luz, c, y la constante de Planck, h. Al principio podríamos estar tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera más lenta sería un mundo diferente. Pero esto sería un error. Si c, h y e se cambiaron de modo que los valores que tienen en unidades métricas (o cualquier otra) fueran diferentes cuando los buscamos en nuestras tablas de constantes físicas, pero el valor de α permaneció igual, esto El nuevo mundo sería observacionalmente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que cuenta en la definición de los mundos son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza. Si todas las masas se duplicaron en valor [incluida la masa de Planck m P ], no se puede saber porque todos los números puros definidos por las proporciones de cualquier par de masas no cambian. — John Barrow [6]Cualquier ecuación que describa una ley física se puede escribir de tal manera que todas las cantidades dimensionales se normalicen, como resultado de lo cual las cantidades de escala (llamadas adimensionales ) entran en cantidades adimensionales . De hecho, los físicos a menudo eligen sus unidades de medida de modo que las constantes físicas c , G y h /2π tomen un valor unitario, como resultado de lo cual cada cantidad física puede ser normalizada por la unidad de Planck correspondiente . Por lo tanto, muchos físicos creen que dotar a la propiedad de la evolución de cantidades dimensionales es, en el mejor de los casos, sin sentido y, en el peor, contradictorio [7] . Cuando se utilizan unidades de Planck y las ecuaciones de las leyes físicas se expresan en una forma no dimensional, todas las constantes físicas dimensionales como c , G o h desaparecen , dejando solo cantidades adimensionales. Privadas de sus dependencias antropométricas , las unidades de medida, entre las que ya no estará la velocidad de la luz , la constante gravitacional o la constante de Planck , quedarán en las expresiones matemáticas de la realidad física de una determinada opción hipotética. Por ejemplo, en el caso de la constante gravitacional G , las cantidades adimensionales correspondientes serán, en última instancia, iguales a la relación entre la masa de Planck y la masa de las partículas elementales . Algunas cantidades adimensionales clave (consideradas constantes) que dependen de la velocidad de la luz, como la constante de estructura fina , tendrán discrepancias significativas, y sus posibles cambios son objeto de investigación.
En la teoría de la relatividad, el espacio-tiempo tiene 4 dimensiones de la misma propiedad física: es espacio tridimensional y tiempo unidimensional. El factor de conversión de tiempo a longitud es igual a la velocidad de la luz según la teoría de la relatividad. Si la definición del metro en SI vuelve a su formulación anterior a 1960, cuando se definía como la longitud de una muestra estándar , entonces es concebible definir el cambio en c (como el recíproco de la cantidad de tiempo que tarda para que la luz viaje a través de este estándar de longitud). Tal vez sea más importante interpretar este cambio como un cambio en la cantidad adimensional de la relación entre la longitud del metro estándar y la longitud de Planck , o como un cambio en la cantidad también adimensional de la relación entre el segundo SI y la longitud de Planck . tiempo , o como un cambio en ambas cantidades. Si el número de átomos que componen el patrón del metro permanece sin cambios (como debería ser para un patrón estable), entonces un cambio notable en el valor de c será el resultado de un cambio más fundamental en la relación adimensional de la longitud de Planck. al tamaño del átomo ( radio de Bohr ), o la relación adimensional del tiempo de Planck al período de radiación de cesio-133 , o ambos .
Un grupo de científicos que estudiaba cuásares distantes anunció su descubrimiento de un cambio en la constante de estructura fina del orden de 10 −5 [8] . Muchos cuestionan estos resultados, creyendo que se necesitan instrumentos con una sensibilidad mucho mayor para detectar tales cambios [9] [10] [11] . Además, restricciones aún más estrictas, encontradas en el estudio del contenido de algunos isótopos en un reactor nuclear natural en Oklo , actualmente indican que no hay cambios [12] [13] .
Paul Davies y colaboradores sugirieron que, en principio, es posible determinar cuál de las constantes dimensionales ( carga eléctrica elemental , constante de Planck y velocidad de la luz ), de las cuales se combina la constante de estructura fina, son responsables de la cambios [14] . Sin embargo, esto ha sido cuestionado por otros científicos y actualmente no se acepta [15] [16] .
La cosmología de la velocidad variable de la luz fue propuesta de forma independiente por Jean-Pierre Petit en 1988 [17] [18] [19] [20] , John Moffat en 1992 [21] y el tándem científico de Andreas Albrecht y João Mageijo en 1998 [ 22] [23] [24] [25] [26] [27] para explicar el problema del horizonte cosmológico y proponer una alternativa a la inflación cósmica . También se ha propuesto un modelo PSS alternativo [28] .
En el modelo PSS de Petit, el cambio en c va acompañado de un cambio conjunto en todas las constantes físicas , combinadas en cambios en los factores de escala del espacio y el tiempo, de modo que todas las ecuaciones y medidas de estas constantes permanecen sin cambios a lo largo de la evolución del Universo. Las ecuaciones de Einstein permanecen invariantes bajo variaciones conjuntas de c y G , que entran en la constante gravitatoria de Einstein. Este modelo limita el cambio en las constantes al valor superior de la densidad de energía del Universo primitivo, al comienzo de la era del dominio de la energía , cuando el espacio-tiempo se identifica con la entropía del espacio en la métrica de una variedad conformemente plana [ 29] [30] . Sin embargo, cabe señalar que en ese momento fue el primer modelo PSS publicado y el único hasta la fecha que da la ley de evolución respecto a la variación conjunta de constantes en el tiempo y deja sin cambios la física del proceso. Posteriormente, estos trabajos recibieron una serie de referencias en la literatura sobre PSS.
La idea de Moffat y el equipo de Albrecht-Mageijo es que en el Universo primitivo la luz se propagaba 60 órdenes de magnitud más rápido, por lo tanto, en la etapa inicial de la expansión del Universo, sus regiones distantes tuvieron tiempo de interactuar. En la actualidad, no se conocen formas de resolver el problema del horizonte con un cambio en la constante de estructura fina, porque cambiarla no cambia la estructura causal del espacio-tiempo . Esto probablemente requeriría permitir un cambio en la constante gravitacional o una revisión de la relatividad especial . Para sortear este problema, en la cosmología de la velocidad variable de la luz, se propone variar la dimensión de c , en particular, cancelando la covarianza de Lorentz en la relatividad general y especial [31] [32] . Las formulaciones más modernas conservan la covarianza local de Lorentz [24] .