[论文解读] Comment on the Variation of Fundamental Constants

J. W. Moffat|ArXiv.org|Aug 15, 2002

Quantum Mechanics and Applications被引用 13

一句话总结

本文挑战了光速c、约化普朗克常数ħ和引力常数G等量纲常数仅为人类构造的观点，认为其随时间变化将产生可测量的物理效应，从根本上改变相对论、量子力学和宇宙学。其核心贡献在于：与e或ħ不同，c的变化不会违反弱等效原理，且为标准模型提供了可行的替代方案，其在早期宇宙物理和原子光谱中具有可观测的后果。

ABSTRACT

It is argued by Duff that only the time variation of dimensionless constants of nature is a legitimate subject of enquiry, and that dimensional constants such as c, h-bar and G... are merely human constructs whose value has no operational meaning. We refute this claim and point out that such varying dimensional "constants" can have significant physical consequences for the universe that can be directly measured in experiments. Postulating that dimensional constants vary in time can significantly change the laws of physics.

研究动机与目标

• 挑战认为c、ħ和G等量纲常数仅为人类构造、无物理意义的观点。
• 研究c、ħ和e等量纲常数随时间变化对基础物理的物理后果。
• 证明c的变化不会违反弱等效原理，而e的变化则会，因此c是更可行的可变候选者。
• 论证假设量纲常数的时间变化可使其从仅依赖单位的数值跃升为基本物理角色。
• 证明此类变化将导致物理定律的可检测变化，尤其在宇宙学和原子光谱中。

提出的方法

• 分析精细结构常数α = e²/ħc，以区分e、ħ或c变化的物理效应。
• 评估c(t) = c₀φ(t)的模型，其中φ(t)为时间依赖函数，以描述光速的变化。
• 应用仅无量纲常数具有物理意义的原则，但主张量纲常数的变化仍具有操作性后果。
• 考虑洛伦兹不变性的破坏，并通过标量场梯度引入两个时空度规，以建模变化的光锥。
• 比较e变化（违反弱等效原理）与c变化（在特定条件下不违反）的影响。
• 利用变c宇宙学的理论模型，包括红移z ~ 10⁹–10¹⁰时的原初核合成，检验此类变化的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 c、ħ和G等量纲常数随时间变化的物理后果是什么？它们与无量纲常数变化的后果有何不同？
• RQ2 为何光速c的变化比电荷e或普朗克常数ħ的变化更适合作为时间变化的候选？
• RQ3 c的时间变化将如何影响时空结构以及狭义相对论的有效性？
• RQ4 c的变化能否与弱等效原理相容？需要满足什么条件？
• RQ5 c的变化在宇宙学和原子物理中会产生哪些可观测效应？如何进行检验？

主要发现

• c的变化本身不会违反弱等效原理，而e的变化则会，除非引入奇异的暗物质特性。
• c(t) = c₀φ(t)的模型将显著改变时空结构，要求对狭义相对论和洛伦兹不变性进行根本性修正。
• c的变化将在红移z ~ 10⁹–10¹⁰的原初核合成过程中产生可观测效应，可通过未来卫星观测检验。
• 在保持c恒定的前提下改变ħ，会影响原子光谱，但无需对量子力学或狭义相对论进行修正。
• φ(t)在物理理论作用量中的动力学角色将导致与标准模型中c为常数时不同的预测。
• 假设量纲常数存在时间变化，可使其从单纯的单位约定跃升为具有可测量后果的基本物理实体。