[논문 리뷰] Does the speed of light depend upon the vacuum ?

Marcel Urban, F. Couchot외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 20.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 가상의 페르미온 쌍이 전자기적 응력 하에서 분극 및 자화를 일으켜 진공 허용도(ε₀)와 투자율(μ₀)을 생성하고, 이들 쌍에 의한 포톤의 일시적 포획을 통해 빛의 속도(c)를 유도하는 양자 진공 모델을 제안한다. 이 모델은 c, ε₀, μ₀가 기본 상수로 여겨지지 않고 진공의 성질에서 유래되며, 중력적 질량 근처에서는 측정 가능한 변동성이 있음을 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 진공 허용도 ε₀와 투자율 μ₀의 물리적 기원을 설명하는 것 — 기존에 기본 상수로 간주되는 바.
• 빛의 유한한 속도 c를 추측이 아닌 포톤과 진공 내 가상 입자 쌍 간의 상호작용으로 유도하는 것.
• ε₀, μ₀, c가 절대적 상수가 아니며, 특히 중력적 응력 하에서 진공의 상태에 따라 달라질 수 있음을 제안하는 것.
• 외부 필드 하에서의 진공 분극 및 자화가 전자기 상수의 측정 가능한 변화를 어떻게 유도할 수 있는지 메커니즘을 제공하는 것.
• 지구의 궤도 운동으로 인한 연간 변동성 등 실험적으로 검증 가능한 효과, 예를 들어 포톤 전이 시간의 통계적 변동성과 ε₀, μ₀의 연간 변동성을 예측하는 것.

제안 방법

• 표준 QED(p,E) 프레임워크를 확장하여, 시공간 매개변수(x,t)를 포함한 정의된 밀도와 수명을 가진 가상의 전하를 띤 페르미온 쌍(예: e⁺e⁻, 쿼크)이 가득 찬 양자 진공을 모델링한다.
• 양자장 이론을 사용하여 전기적 응력 하에서의 진공 분극으로부터 ε₀를 계산하고, 자석적 응력 하에서의 자화로 μ₀를 계산하며, 파울리 배타 원리 제약 조건을 적용한다.
• 포톤의 전파를 가상 쌍에 의한 일시적 포획의 연속으로 모델링하고, 상호작용 간 평균 전이 시간으로부터 끝없는 c를 도출한다.
• 유도된 c, ε₀, μ₀의 값이 측정된 값과 정확히 일치함을 이용해 진공 모델의 자유 매개변수를 제약 조건에 둔다.
• 일반 상대성 이론적 효과(예: 샤프로우 지연, 중력적 적색 이동)를 사용하여 중력적 응력에 대한 진공 반응을 분석하고, c, ε₀, μ₀가 공간적으로 변화함을 보여주며, 곡률이 있는 시공간에서 굴절률과 유사한 행동을 재현한다.
• 지구의 궤도 이완도로 인한 연간 변동성과 포톤 전이 시간의 변동성을 검출하기 위해 피코초 레이저를 다중 경로 공진기에서 사용하는 실험적 검증을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ε₀와 μ₀의 값이 기본 상수로 간주되는 대신, 양자 진공의 구조에서 동적으로 유도될 수 있는가?
• RQ2 빛의 끝없는 속도 c가 진공 내 가상 입자 쌍과의 포톤 상호작용으로부터 도출될 수 있는가?
• RQ3 진공이 중력적 응력에 반응할 때 c, ε₀, μ₀는 어떻게 변화하며, 이로 인해 알려진 상대성 이론적 효과를 재현할 수 있는가?
• RQ4 가상 쌍 상호작용의 확률적 성격으로 인해 포톤 전이 시간에 측정 가능한 통계적 변동성이 존재하는가?
• RQ5 이 모델은 짧은 거리에서 표준 전기역학의 이격을 예측할 수 있으며, 이는 mumesic 원자 측정 결과와 일치하는가?

주요 결과

• 모델은 ε₀ ≈ 10 e²/ħ c∞ 및 μ₀ ≈ 0.1 ħ/e² c∞로 도출되며, 자유 매개변수를 정확한 등식으로 제약 조건에 둘 경우 측정된 상수와 일치한다.
• 가상 쌍에 의한 포톤의 일시적 포획으로부터 도출된 빛의 속도 c는 측정된 값과 놀랍게 유사하여, c의 동역학적 기원을 시사한다.
• 모델은 중력적 질량이 존재할 경우 c, ε₀, μ₀가 변화함을 예측하며, c는 1/(1 + 2GM/rc∞²)의 형태로 감소함을 보여주며, 곡률이 있는 시공간의 효과를 재현한다.
• 지구의 궤도 이완도로 인해 ε₀과 μ₀의 연간 변동성이 약 6×10⁻¹⁰ 수준으로 예측되며, 이에 따라 커패시턴스 C의 3×10⁻¹⁰ 변동이 예측된다.
• 전자 콜무프 파장 이하의 거리(약 400 fm)에서 ε₀은 12.5% 감소함을 예측하며, 이는 관측된 mumesic 원자에서의 이격과 일치한다.
• 포톤 전이 시간의 변동성은 kpc 척도에서 피코초 수준, 보다 작은 밀리파라세컨 척도에서는 아토초 수준으로 예측되며, 현재의 피코초 레이저 기술로 측정 가능하다.