[論文レビュー] Comment on the Variation of Fundamental Constants

J. W. Moffat|ArXiv.org|Aug 15, 2002

Quantum Mechanics and Applications被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、光速c、量子力学定数ħ、万有引力定数Gといった次元付き定数が人間が定めたものにすぎないとみなす見解に挑戦し、それらの時間変動が測定可能な物理的効果をもたらし、相対性理論、量子力学、宇宙論を根本的に変えると主張する。主な貢献は、e や ħ の代わりに c を変化させることで、弱い等価原理の破れを回避でき、標準モデルの代替として現実的に可能な選択肢を提供することであり、初期宇宙の物理学および原子スペクトルにおける検出可能な結果をもたらす。

ABSTRACT

It is argued by Duff that only the time variation of dimensionless constants of nature is a legitimate subject of enquiry, and that dimensional constants such as c, h-bar and G... are merely human constructs whose value has no operational meaning. We refute this claim and point out that such varying dimensional "constants" can have significant physical consequences for the universe that can be directly measured in experiments. Postulating that dimensional constants vary in time can significantly change the laws of physics.

研究の動機と目的

• 次元付き定数（c、ħ、G）が人間の便宜的単位にすぎないとされる主張に反論すること。
• 時間的に変化する次元付き定数、特にc、ħ、eが基礎物理学に与える物理的影響を調査すること。
• 変化するcが弱い等価原理の破れを引き起こさないのに対し、変化するeはそうなることから、cの変化がより現実的な候補であることを示すこと。
• 時間的変動を仮定することで、次元付き定数が単なる単位依存の値ではなく、根本的な物理的役割を果たすようになると主張すること。
• このような変動が物理法則に検出可能な変化をもたらし、特に宇宙論および原子スペクトルにおいて顕著になることを示すこと。

提案手法

• 微細構造定数 α = e²/ħc を分析し、e、ħ、c のそれぞれの変動がもたらす物理的効果を区別する。
• c(t) = c₀φ(t) の形で時間に依存する関数φ(t)を導入し、光速の変動をモデル化する。
• 次元なし定数のみが物理的に意味を持つという原則を適用するが、次元付き定数の変動が依然として実用的結果をもたらすと主張する。
• ローレンツ不変性の破れと、スカラー場勾配によって接続される二つの時空計量を導入し、変化する光円錐をモデル化する。
• e を変化させると弱い等価原理に反するが、c を変化させると、ある条件下では反しないことの比較を行う。
• 変化するc宇宙論の理論的モデル（赤方偏移 z ~ 10⁹–10¹⁰ におけるビッグバン核合成）を用い、このような変動の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的に変化する次元付き定数（c、ħ、G）がもたらす物理的影響とは何か？また、次元なし定数の変動とはどのように異なるか？
• RQ2 なぜ光速（c）の時間変動が、電気素量（e）やプランク定数（ħ）の変動よりもより現実的な候補となるのか？
• RQ3 時間的に変化するcは、時空の構造や特殊相対性理論の有効性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 cの変動は弱い等価原理と整合することができるか？そのために必要な条件は何か？
• RQ5 時間的に変化するcが宇宙論および原子物理学に検出可能な効果をもたらすか？そして、それらはどのように検証可能か？

主な発見

• 変化するcは、弱い等価原理に内在的な破れを引き起こさない。一方、e を変化させると、特異なダークマターの性質を導入しない限り、強い破れが生じる。
• c(t) = c₀φ(t) のようにモデル化された時間的変動するcは、時空構造を顕著に変化させ、特殊相対性理論およびローレンツ不変性の根本的再考を要請する。
• cの変動は、赤方偏移 z ~ 10⁹–10¹⁰ におけるビッグバン核合成に検出可能な効果をもたらし、将来的な人工衛星観測によって検証可能である。
• c を一定に保ちながらħを変化させると、原子スペクトルに影響を与えるが、量子力学や特殊相対性理論の再考は不要である。
• 物理理論の作用量におけるφ(t)の動的役割は、定数cを仮定する標準モデルとは異なる予測をもたらす。
• 次元付き定数に時間的変動を仮定することで、それらは単なる単位の慣習から、測定可能な物理的影響をもつ根本的物理的実体へと昇格する。