[論文レビュー] Varying G and Other Constants

John D. Barrow|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 1997

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、スカラー・テンソル重力理論および高次元統一理論における基本定数の変動に関する理論的枠組みをレビューする。特に重力定数Gの変動に注目し、フリードマン宇宙論、初期ブラックホール形成、Gおよび構造定数の観測的制約について分析し、現代の宇宙論および量子重力における定数の変動に関する包括的な概説を提供する。

ABSTRACT

We review recent progress in the study of varying constants and attempts to explain the observed values of the fundamental physical constants. We describe the variation of $G$ in Newtonian and relativistic scalar-tensor gravity theories. We highlight the behaviour of the isotropic Friedmann solutions and consider some striking features of primordial black hole formation and evaporation if $G$ varies. We discuss attempts to explain the values of the constants and show how we can incorporate the simultaneou s variations of several 'constants' exactly by using higher-dimensional unified theories. Finally, we describe some new observational limits on possible space or time variations of the fine structure constant.

研究の動機と目的

• 時間的または空間的に基本定数（G や構造定数）が変動する理論的モデルを検討すること。
• スカラー・テンソル重力理論およびフリードマン＝ロバートソン・ウォーカー（FRW）モデルにおける変動するGの宇宙論的影響を調査すること。
• 高次元統一理論が複数の定数を同時に変動させるメカニズムをどのように提供するかを検討すること。
• 構造定数の時間的・空間的変動に関する観測的制約を評価すること。
• 時間的に変動するGのもとでの初期ブラックホールの形成および蒸発に及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• 重力に結合するスカラー場を介してGが動的に変動可能なスカラー・テンソル重力理論を定式化する。
• 変動するGの文脈において等方的フリードマン解を分析し、修正された宇宙論的進化方程式を導出する。
• フレームワークを初期ブラックホールの形成および蒸発に適用し、質量および寿命のスケーリングが標準一般相対性理論とは異なることを示す。
• Kaluza-Klein や弦理論にインspiredされたモデルを含む高次元統一理論を導入し、複数の定数を同時に変動させる。
• クェーサー吸収スペクトルなどの観測データを用いて、構造定数の時間的変動を制約する。
• 量子重力および宇宙論的モデルからの一貫性条件を適用し、基本定数の変動の可能性を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gの変動は、初期宇宙の力学および初期ブラックホールの形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 時間的に変動する重力定数を伴うスカラー・テンソル理論の宇宙論的影響は何か？
• RQ3 高次元統一理論は、複数の基本定数の同時変動を自然に説明できるか？
• RQ4 クェーサー吸収線からの観測的制約は、構造定数の時間的変動をどの程度まで制限するか？
• RQ5 変動する定数は、ハッブルパラメータの進化および宇宙の膨張歴にどのように影響を与えるか？

主な発見

• スカラー・テンソル理論では、変動するGが修正されたフリードマン方程式を導き、宇宙の膨張歴が変化する。
• 変動するGの状況下では、初期ブラックホールの形成閾値および蒸発率が、標準一般相対性理論とは異なる。
• 高次元統一理論は、G や構造定数といった複数の定数の同時変動を一貫した枠組みで説明可能である。
• クェーサー吸収スペクトルからの観測的制約により、宇宙時間における構造定数の変動 Δα/α < 10^-5 が制限される。
• 本稿は、変動する定数が宇宙論的モデルにおいて妥当であるが、厳しい観測的制約を満たす必要があることを確立した。
• 理論的一致性から、核合成や大規模構造との矛盾を避けるために、基本定数の変動は宇宙論的スケールで小さく保たれる必要がある。