[論文レビュー] Variation of Physical constants, Redshift and the Arrow of time

M. Kafatos, Sisir Roy+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、光の速度や万有引力定数といった自然の基本定数が、宇宙的時間とともに固定されていないのではなく変化すると提案している。その結果、見かけの宇宙膨張や赤方偏移は、物理的パラメータの進化に起因する動的な宇宙を生じる。$ c \equiv \dot{R} $ というスケーリング関係を仮定することで、著者らは時間の矢と宇宙論的偶然性（例えば、ディラックの巨大数）が、微視的および巨視的量のスケール不変関係から自然に生じることを示している。

ABSTRACT

Theories of fundamental physics as well as cosmology must ultimately not only account for the structure and evolution of the universe and the physics of fundamental interactions, but also lead to an understanding of why this particular universe follows the physics that it does. Such theories must ultimately lead to an understanding of the values of the fundamental constants themselves. However, all such efforts have failed, leaving fundamental constants outside of any physical theories. In this paper we take a different approach than the usual evolutionary picture where the physics itself is assumed invariant. We study numerical relations among fundamental constants starting from relationships first proposed by Weinberg (1972). We have shown (Kafatos et al.2000) that they turn out to be equivalent to the relations found by Dirac (1937). Then a new scaling hypothesis relating the speed of light $c$ and the scale of the universe $R$ is explored.

研究の動機と目的

• 基本定数が観測された値をとる理由という未解決問題を、それらが宇宙的時間にわたって変化可能であるとすることで扱う。
• 宇宙論的偶然性（例えば、ディラックの巨大数仮説）を奇異な現象ではなく、スケール不変関係の結果として説明する。
• 定数の変化が見かけの宇宙の膨張と時間の矢を生じさせるような公理的枠組みを構築する。
• 量子真空の誘電率および透磁率の変化を、高赤方偏移クェザーにおける観測可能な赤方偏移効果と結びつける。
• 時間の矢を核子数 $ N_p $ の進化と統一し、それが基本定数の変化から生じるものであり、根本的な仮定ではないことを示す。

提案手法

• プランク時における光の速度 $ c $ が宇宙スケール因子 $ R $ の時間微分 $ \dot{R} $ に正確に等しいというスケーリング仮説を採用する。すなわち、$ c \equiv \dot{R} $。
• ワインバーグの1972年の関係式を用い、それがディラックの1937年の関係式と同等であることを示し、微視的と巨視的スケールの間のスケール不変関係を基礎づける。
• 変化する定数による影響を受けるため、量子真空を可変な誘電率および透磁率を持つものとしてモデル化し、時空の膨張とは独立した赤方偏移効果を導出する。
• 高赤方偏移クェザー観測にこの枠組みを適用し、スペクトル線の異常は宇宙論的力学ではなく、物理定数の変化に起因する可能性を示唆する。
• 固定された定数（標準宇宙論）と変化する定数（本モデル）という二つの補完的視点の双対性を導入し、時間の矢は後者から生じるとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された巨大数の偶然性（例えば、ディラックやエディントンのもの）が、偶然ではなくスケール不変関係の結果として説明可能か？
• RQ2 見かけの宇宙膨張と観測される赤方偏移は、時空幾何学ではなく、基本定数の変化に起因するか？
• RQ3 時間の矢は、核子数 $ N_p $ の増加に伴う物理定数の進化から導出可能か？
• RQ4 真空の誘電率および透磁率の変化が光の伝播に与える影響と、赤方偏移に与える影響は何か？
• RQ5 $ c $, $ G $, $ \alpha $ などの複数の定数が同時に変化するが、物理的整合性と観測的適合性を保つ一貫した枠組みは存在するか？

主な発見

• プランク時における $ c \equiv \dot{R} $ の仮定は、微視的および巨視的スケールを自然に結びつけるスケール不変関係を導く。
• 観測される赤方偏移は、時空の膨張だけでなく、変化する真空の誘電率および透磁率に起因するものとして解釈可能である。
• 時間の矢は、初期値1から $ \sim 10^{80} $ に増加する核子数 $ N_p $ の増加から生じ、時間の認識は定数の進化に起因する。
• 本モデルは、宇宙論的偶然性（例えば、基本定数の比）を謎ではなく、スケーリング枠組みの本質的特徴として説明する。
• 定数の変化は動的な量子真空を生じさせ、高赤方偏移クェザーのスペクトルにおける異常を説明する可能性を有する。
• 本フレームワークは二重記述を提供する：定数が固定（標準的視点）であるか、定数が変化する（本モデル）かであり、時間の矢は後者から生じる。