[论文解读] Does the speed of light depend upon the vacuum ?

Marcel Urban, F. Couchot+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2011

Quantum Mechanics and Applications参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出一种量子真空模型，其中虚费米子对在电磁应力下通过极化和磁化产生真空介电常数（ε₀）和磁导率（μ₀），并推导出光速（c）作为光子与这些对发生瞬时捕获的结果。该模型认为c、ε₀和μ₀并非基本常数，而是源于真空性质，且在引力质量附近存在可观测的涨落与变化。

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.

研究动机与目标

• 解释传统上被视为基本常数的真空介电常数ε₀和磁导率μ₀的物理起源。
• 不将光速c视为公设，而是将其作为光子与真空中虚粒子对相互作用的动力学结果推导出来。
• 提出ε₀、μ₀和c并非绝对常数，而是依赖于真空状态，尤其是在引力应力下。
• 提供一种机制，说明在外部场作用下真空极化与磁化如何导致电磁常数的可测量变化。
• 预测可实验检验的效应，如光子渡越时间的统计涨落，以及由于地球轨道运动引起的ε₀和μ₀的年周期调制。

提出的方法

• 将量子真空建模为充满具有确定密度和寿命的虚带电费米子对（如e⁺e⁻、夸克）的系统，将标准QED的(p,E)框架扩展至包含(x,t)时空参数。
• 利用包含泡利不相容原理约束的量子场论，计算在静电应力下的ε₀（由真空极化得出），以及在静磁应力下的μ₀（由磁化得出）。
• 将光子传播建模为与虚对发生瞬时捕获的序列过程，通过相互作用间的平均渡越时间推导出有限的c。
• 利用推导出的c、ε₀和μ₀值与实测值之间的精确一致，约束真空模型中的自由参数。
• 利用广义相对论效应（如 Shapiro延迟、引力红移）分析真空在引力应力下的响应，表明c、ε₀和μ₀在空间上发生变化，其行为类似于弯曲时空中的折射率。
• 提出实验方案：使用飞秒激光在多程光路腔体中检测光子渡越时间的涨落，以及由于地球轨道偏心率引起的ε₀和μ₀的年周期调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 ε₀和μ₀的值能否从真空结构的动态演化中自然涌现，而非被假设为基本常数？
• RQ2 光速c能否从光子与真空中虚粒子对的相互作用中推导出来？
• RQ3 真空在引力应力下的响应如何影响c、ε₀和μ₀？该模型能否重现已知的相对论效应？
• RQ4 由于虚对相互作用的随机性，光子渡越时间是否存在可观测的统计涨落？
• RQ5 该模型能否预测在短距离下偏离标准电动力学的现象？这些预测是否与μ介子原子的测量结果一致？

主要发现

• 模型推导出ε₀ ≈ 10 e²/ħ c∞ 和 μ₀ ≈ 0.1 ħ/e² c∞，当自由参数通过精确等式约束后，其值与实测常数完全一致。
• 通过光子与虚对瞬时捕获推导出的光速c与实测值极为接近，表明c具有动力学起源。
• 该模型预测在引力质量存在时，c、ε₀和μ₀会发生变化，c按1/(1 + 2GM/rc∞²)减小，重现了弯曲时空效应。
• 由于地球轨道偏心率，预测ε₀和μ₀存在约6×10⁻¹⁰的年周期调制，相应地电容C的调制幅度为3×10⁻¹⁰。
• 在低于电子康普顿波长（≈400 fm）的距离下，模型预测ε₀减少12.5%，与μ介子原子中观测到的偏离一致。
• 预测在kpc量级尺度上，光子渡越时间涨落约为飞秒量级，在亚千秒差距量级为阿秒量级，当前飞秒激光技术可实现探测。