[논문 리뷰] Empirical evidences in favor of a varying-speed-of-light

Yves‐Henri Sanejouand|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 03.

Scientific Research and Discoveries참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 달 레이저 레인지 데이터, 파이오니어 이상현상, 우주적 시간 지연, 초신성 관측 등의 경험적 증거를 바탕으로 빛의 속도가 매년 2.1–3.0 cm/s 감소한다고 제안한다. 이 가설은 암흑 에너지나 수정된 중력 이론을 도입하지 않고도 이러한 현상을 일관되게 설명하며, 미세구조상수와 리드버그 상수의 관측된 일관성을 유지하기 위해 진공 허용도 또는 전자 질량과 같은 다른 상수들이 보정적으로 변해야 한다는 요구를 수반한다.

ABSTRACT

The empirical evidences in favor of the hypothesis that the speed of light decreases by a few centimeters per second each year are examined. Lunar laser ranging data are found to be consistent with this hypothesis, which also provides a straightforward explanation for the so-called Pioneer anomaly, that is, a time-dependent blue-shift observed when analyzing radio tracking data from distant spacecrafts, as well as an alternative explanation for both the apparent time-dilation of remote events and the apparent acceleration of the Universe. The main argument against this hypothesis, namely, the constancy of fine-structure and Rydberg constants, is discussed. Both of them being combinations of several physical constants, their constancy imply that, if the speed of light is indeed time-dependent, then at least two other "fundamental constants" have to vary as well. This defines strong constraints which will have to be fulfilled by future varying-speed-of-light theories.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 빛의 속도에 대한 경험적 증거를 조사하여 표준 가정인 c가 보편 상수임을 도전한다.
• 암흑 에너지나 수정된 중력 이론을 도입하지 않고도 파이오니어 이상현상, 명백한 우주적 가속도, 먼 초신성에서의 시간 지연을 시간에 따라 감소하는 c(t)로 설명한다.
• 시간에 따라 변하는 빛의 속도와 일관된 미세구조상수와 리드버그 상수의 관측된 일관성을 유지하기 위해 다른 물리 상수의 보정적 변화를 규명한다.
• 달 레이저 레인지 데이터가 감소하는 c(t)와 일관한지 평가하여 표준 tidal 모델에 대체되는 Moon의 후퇴 메커니즘을 제시한다.

제안 방법

• 빛의 속도에 선형 시간 의존성을 가정한다: c(t) = c₀ + a꜀t, 여기서 a꜀는 c의 변화율이다.
• 달 레이저 레인지 데이터를 사용하여 왕복 빛 전파 시간의 시간 도함수 δtₘ를 추론하고, 관측된 변화율로부터 a꜀를 유도한다.
• 파이오니어 10/11 탐사선의 라디오 추적 데이터를 분석하여 시간에 따라 변화하는 블루 시프트를 탐지하고, 감소하는 c(t)와 일관됨을 확인한다.
• 고적색 이동 초신성의 시간 지연 및 허블의 법칙 데이터를 적용하여 시간에 따라 변하는 c(t) 모델과의 일관성을 시험한다.
• 미세구조상수 α와 리드버그 상수 Rᵧ의 일관성에서 유도되는 제약 조건을 평가하며, ε₀ 또는 mₑ와 같은 다른 상수들의 보정적 변화가 필요하다고 요구한다.
• 이론적 일관성을 도출하기 위해, α와 Rᵧ가 일정하다면 시간에 따라 변하는 c(t) 하에서 그 값이 유지되기 위해 ε₀(t) 또는 mₑ(t)가 변해야 한다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 달 레이저 레인지의 왕복 시간 증가가 지구-달 거리 증가가 아니라 감소하는 빛의 속도로 설명될 수 있는가?
• RQ2 파이오니어 이상현상은 선형적으로 감소하는 빛의 속도와 일관된가? 이는 라디오 신호에 시간에 따라 변화하는 블루 시프트를 유도한다.
• RQ3 우주의 명백한 가속도와 먼 초신성에서의 시간 지연은 암흑 에너지를 도입하지 않고도 시간에 따라 변하는 빛의 속도로 설명될 수 있는가?
• RQ4 시간에 따라 변하는 빛의 속도와 일관된 미세구조상수와 리드버그 상수의 관측된 일관성을 어떻게 조화시킬 수 있는가?
• RQ5 α와 Rᵧ의 관측된 일관성을 유지하기 위해 c(t)와 함께 어떤 다른 기본 상수가 함께 변해야 하는가?

주요 결과

• 달 레이저 레인지 데이터로부터 빛의 속도 변화율은 a꜀ = -9.4 × 10⁻¹⁰ m/s²로 도출되었으며, 이는 매년 2.9 cm/s 감소하는 것으로 해석된다.
• 1969년 이후 길이 일의 감소가 태양계 tidal 모델의 예측과 정면으로 배치되며, 이는 달 거리 증가의 일부가 감소하는 c(t)에 기인해 있다는 시사를 제공한다.
• 파이오니어 이상현상은 지속적인 시간에 따라 변화하는 블루 시프트를 보이며, 이는 a꜀ ≈ -9.4 × 10⁻¹⁰ m/s²인 선형 감소하는 c(t)와 일관되게 설명된다.
• 우주의 시간 지연과 명백한 가속도는 시간에 따라 변하는 c(t)로 설명되며, a꜀는 -6.6에서 -9.4 × 10⁻¹⁰ m/s²의 범위에 있어 여러 데이터셋 간에 일관된다.
• 미세구조상수 α의 일관성은 진공 허용도 ε₀(t)가 c(t)와 반비례로 변해야 한다고 요구하며, 이는 Z₀ = 1/(ε₀c)가 진정한 기본 상수임을 시사한다.
• 리드버그 상수 Rᵧ의 일관성은 전자 질량 mₑ 또는 줄어든 플랑크 상수 ℏ가 c(t)와 함께 동시에 변해야 한다고 추가로 제약을 가한다.