[논문 리뷰] Variation of Physical constants, Redshift and the Arrow of time

M. Kafatos, Sisir Roy외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 05. 07.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자연의 기본 상수—예를 들어 빛의 속도와 만유인력 상수—가 우주 시간에 따라 고정되어 있지 않고 변화할 수 있음을 제안하며, 이로 인해 물리적 매개변수의 변화에서 기인하는 명백한 팽창과 적색이동이 발생하는 역동적인 우주를 설명한다. $ c \equiv \dot{R} $의 척도 관계를 가정함으로써, 저자들은 시간의 화살과 우주론적 공명(예: 디랙의 큰 수)이 미세세계와 거대세계 양상 간의 척도 불변 관계로부터 자연스럽게 유도됨을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기본 상수가 관측된 값을 갖는 이유를 우주의 시간에 따라 변화시킬 수 있도록 허용함으로써 해결하고자 한다.
• 우주론적 공명(예: 디랙의 큰 수 가설)을 이상현상가운데서가 아니라 척도 불변 관계의 결과로 설명하고자 한다.
• 기본 상수의 변화가 명백한 우주의 팽창과 유도된 시간의 화살을 초래하는 축약된 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 양자 진공의 허용도와 투자율의 변화를 관측 가능한 고적색이동 퀘이사에서의 적색이동 효과와 연결하고자 한다.
• 시간의 화살을 핵자 수 $ N_p $ 의 진화와 통합하여, 그것이 기본 원리로 제시되는 것이 아니라 변화하는 상수에서 기인함을 보여주고자 한다.

제안 방법

• 빛의 속도 $ c $ 가 우주의 척도 인자 $ R $ 의 변화율에 정확히 동일시되는 척도 가설을 채택하며, 즉 플랑크 시점 이후로 $ c \equiv \dot{R} $ 를 가정한다.
• Weinberg의 1972년 관계를 사용하여 그것이 Dirac의 1937년 관계와 동치임을 보이고, 미세 척도와 거대 척도 간의 척도 불변 수치적 관계의 기초를 마련한다.
• 기본 상수가 변화함에 따라 변화하는 허용도와 투자율을 갖는 양자 진공을 모델링함으로써, 시공간 팽창과는 독립적인 적색이동 효과를 이끌어낸다.
• 고적색이동 퀘이사 관측에 이 프레임워크를 적용하여, 스펙트럼 선에서의 이질현상이 천체역학적 역학이 아닌 변화하는 물리적 상수에서 기인할 수 있음을 제안한다.
• 고정된 상수(표준 천체역학)와 변화하는 상수(이 모델)라는 두 가지 상호보완적인 관점 간의 이중성을 도입하며, 시간의 화살이 후자의 경우에서 기인함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 큰 수의 공명(예: 디랙의 것과 에딩턴의 것)이 우연의 일치가 아니라 척도 불변 관계의 결과로 설명될 수 있는가?
• RQ2 우주의 명백한 팽창과 관측된 적색이동이 시공간 기하학이 아니라 기본 상수의 변화에서 기인하는가?
• RQ3 시간의 화살이 핵자 수 $ N_p $ 의 진화에서 도출될 수 있는가, 특히 $ N_p $ 가 1에서 $ \sim 10^{80} $ 으로 증가하는 과정에서?
• RQ4 진공의 허용도와 투자율의 변화가 빛의 전파에 어떤 영향을 미치며, 어떻게 적색이동을 유도하는가?
• RQ5 여러 상수(예: $ c $, $ G $, $ \alpha $)가 동시에 변화하는 일관된 프레임워크가 존재하는가, 그 변화가 물리적 일관성과 관측 가능성과 동시에 유지되는가?

주요 결과

• 플랑크 시점에서 $ c \equiv \dot{R} $ 를 가정함으로써, 미세물리적 척도와 천체물리적 척도를 자연스럽게 연결하는 척도 불변 관계가 도출된다.
• 관측된 적색이동은 시공간 팽창 외에도 변화하는 진공의 허용도와 투자율이 기인한 결과로 해석될 수 있으며, 이는 단지 시공간 팽창 때문만은 아니다.
• 시간의 화살은 초기 값 1에서 $ \sim 10^{80} $ 으로 증가하는 핵자 수 $ N_p $ 의 증가에서 기인하며, 시간 인식은 상수의 변화에 따른 진화에서 유도된다.
• 이 모델은 우주론적 공명(예: 기본 상수 간의 비율)을 수수께끼가 아니라 척도 프레임워크의 본질적인 특성으로 설명한다.
• 상수의 변화는 역동적인 양자 진공을 초래하며, 이는 고적색이동 퀘이사 스펙트럼의 이질현상에 기여할 수 있다.
• 이 프레임워크는 이중적 기술을 제공한다: 상수를 고정된 것으로 보는(표준 시각) 것과 변화하는 것으로 보는(이 모델) 것인데, 시간의 화살은 후자의 경우에서 기인한다.