[論文レビュー] Does the speed of light depend upon the vacuum ?

Marcel Urban, F. Couchot+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2011

Quantum Mechanics and Applications参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、仮想フェルミオン対が電磁的ストレス下での極化および磁化によって真空中の誘電率（ε₀）と透磁率（μ₀）を生成し、光子がこれらの対による一時的捕獲を通じて光の速度（c）が生じることを提案する量子真空中のモデルを提示する。このモデルは、c、ε₀、μ₀が根本的定数ではなく、真空中の性質に由来するものであり、重力的質量の近傍で測定可能な揺らぎや変化を予測する。

ABSTRACT

We propose a quantum model for the vacuum filled of virtual particle pairs. The main originality of this model is to define a density and a life-time of the virtual particles. Compared to the usual QED $(p,E)$ framework, we add here the $(x,t)$ space time parameters. We show how $ε_0$ and $μ_0$ originate from the polarization and the magnetization of these virtual pairs when the vacuum is stressed by an electrostatic or magnetostatic field respectively. We obtain numerical values very close to the measured values. The exact equalities constraint the free parameters of our vacuum model. Then we show that if we simply model the propagation of a photon in vacuum as a succession of transient captures with virtual pairs, we can derive a finite velocity of the photon with a magnitude close to the measured speed of light $c$. Again this is the occasion to adjust better our vacuum model. Since the transit time of a photon is a statistical process we expect it to be fluctuating and this translates into a fluctuation of $c$ which, if measured, would bring another piece of information on the vacuum. When submitted to a stress the vacuum may change and this will induce a variation in the electromagnetic constants. We show this to be the case around a gravitational mass. It gives a physical interpretation of a varying vacuum refractive index equivalent to the curved space-time in General Relativity. The known measurements of the deflection of light by a mass, the Shapiro delay and the gravitational redshift do bring constraints on the way inertial masses should depend upon the vacuum. At last some experimental predictions are proposed.

研究の動機と目的

• 誘電率ε₀および透磁率μ₀の物理的起源を、従来は根本的定数として扱われるものから説明すること。
• 光の有限な速度cを、仮説としてではなく、真空中の仮想粒子対との光子の相互作用の動的結果として導出すること。
• ε₀、μ₀、cが絶対的定数ではなく、特に重力的ストレス下で真空中の状態に依存することを提案すること。
• 外部場における真空中の極化および磁化が、電磁定数の測定可能な変化を引き起こすメカニズムを提供すること。
• 地球の公転運動に起因する年齢的変動および光子伝搬時間の統計的揺らぎといった、実験的に検証可能な効果を予測すること。

提案手法

• 標準的QED（p,E）フレームワークを拡張し、時空パラメータ（x,t）を含めた、密度と寿命が定義された仮想電荷を帯びたフェルミオン対（例：e⁺e⁻、クォーク）で満たされた量子真空中をモデル化する。
• 電気的ストレス下での真空中の極化からε₀を計算し、磁気的ストレス下での磁化からμ₀を計算する。フェルミ粒子のパウリ排他原理を考慮した量子場理論を用いる。
• 光子の伝播を仮想対による一時的捕獲の連鎖としてモデル化し、相互作用間の平均伝搬時間から有限なcを導出する。
• 導出されたc、ε₀、μ₀の値と測定値との正確な一致を用いて、真空中の自由パラメータを制約する。
• 一般相対性理論的効果（例：シャピロ遅延、重力赤方偏移）を用いて、重力的ストレス下における真空中の応答を分析し、c、ε₀、μ₀が空間的に変化し、曲がった時空における屈折率に類似した振る舞いを示すことを示す。
• フェムト秒レーザーを用いたマルチパスキャビティを用いた実験的検証を提案し、地球の公軌道離心率に起因する光子伝搬時間の揺らぎおよびε₀とμ₀の年齢的変動を検出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ε₀およびμ₀の値が、仮説としてではなく、量子真空中の構造から動的に生じる可能性はあるか？
• RQ2 光の有限な速度cが、真空中の仮想粒子対との光子の相互作用から導出可能か？
• RQ3 真空中の重力的ストレスへの応答がc、ε₀、μ₀に与える影響は何か？ また、これにより既知の相対論的効果を再現できるか？
• RQ4 仮想粒子対の確率的性質に起因する光子伝搬時間の測定可能な統計的揺らぎは存在するか？
• RQ5 本モデルは、短距離における標準的電気力学からのずれを予測できるか？ また、それらはミュームス原子の測定結果と整合するか？

主な発見

• ε₀ ≈ 10 e²/ħ c∞およびμ₀ ≈ 0.1 ħ/e² c∞が導出され、自由パラメータが正確な等式によって制約された際、測定値と一致する。
• 仮想対による光子の一時的捕獲から導出された光の速度cは、測定値に極めて近く、cの動的起源を示唆している。
• 重力的質量の存在下でc、ε₀、μ₀が変化することを予測し、cは1/(1 + 2GM/rc∞²)のようになる。これは曲がった時空の効果を再現する。
• 地球の公軌道離心率に起因するε₀およびμ₀の年齢的変動が約6×10⁻¹⁰程度であり、これに伴い静電容量Cの3×10⁻¹⁰の変動が予測される。
• 電子のコンプトン波長（約400 fm）未満の距離では、ε₀が12.5%減少すると予測され、ミュームス原子の観測されたずれと整合する。
• 光子伝搬時間の揺らぎは、kpcスケールでフェムト秒オーダー、サブキロパーセクスケールでアトセカンドオーダーであり、現在のフェムト秒レーザー技術で測定可能である。