[论文解读] Empirical evidences in favor of a varying-speed-of-light

Yves‐Henri Sanejouand|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Scientific Research and Discoveries参考文献 32被引用 5

一句话总结

本文提出，光速每年减少2.1–3.0厘米，依据来自月球激光测距、先驱者异常、宇宙时间膨胀和超新星观测的经验证据。该假说无需引入暗能量或修改引力理论，即可一致地解释这些现象，同时要求其他常数（如真空介电常数或电子质量）发生补偿性变化，以维持精细结构常数和里德伯常数的恒定。

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.

研究动机与目标

• 调查经验证据，表明光速随时间变化，挑战将c视为普遍常数的标准假设。
• 通过缓慢减小的c(t)而非暗能量或修改引力，解释先驱者异常、宇宙表观加速和遥远超新星的时间膨胀。
• 通过识别其他物理常数的补偿性变化，调和观测到的精细结构常数和里德伯常数的恒定性与光速变化之间的矛盾。
• 评估月球激光测距数据与减小的c(t)的一致性，为月球退行提供替代于标准潮汐解释的解释。

提出的方法

• 假设光速具有线性时间依赖性：c(t) = c₀ + a꜀t，其中a꜀为c的时间变化率。
• 利用月球激光测距数据推断往返光传播时间的时间导数δtₘ，并从其观测变化率推导出a꜀。
• 分析先驱者10/11号探测器的无线电跟踪数据，检测与减小的c(t)一致的时间依赖性蓝移。
• 应用高红移超新星的时间膨胀和哈勃定律数据，检验与可变c(t)模型的一致性。
• 评估精细结构常数α和里德伯常数Rᵧ恒定性的约束，要求ε₀或mₑ等其他常数发生补偿性变化。
• 通过理论推导证明，若α和Rᵧ保持恒定，则在c(t)随时间变化时，必须使ε₀(t)或mₑ(t)相应变化以维持其值。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用光速减小而非地月距离增加来解释月球激光测距往返时间的观测增加？
• RQ2 先驱者异常是否与线性减小的光速一致，从而在无线电信号中产生时间依赖性蓝移？
• RQ3 能否通过可变光速而不引入暗能量来解释宇宙的表观加速和遥远超新星的时间膨胀？
• RQ4 如何调和精细结构常数和里德伯常数的恒定性与光速随时间变化之间的矛盾？
• RQ5 为保持α和Rᵧ的观测恒定，除c(t)外还需哪些基本常数发生相应变化？

主要发现

• 月球激光测距数据得出光速变化率为a꜀ = -9.4 × 10⁻¹⁰ m/s²，对应每年减少2.9厘米。
• 自1969年以来，地球日长度的观测减少与潮汐模型的预测相矛盾，表明部分表观月球距离增加可能源于c(t)的减小。
• 先驱者异常——一种持续的时间依赖性无线电信号蓝移——可由线性减小的c(t)一致解释，其中a꜀ ≈ -9.4 × 10⁻¹⁰ m/s²。
• 宇宙时间膨胀和宇宙表观加速可通过可变c(t)解释，a꜀的范围为-6.6至-9.4 × 10⁻¹⁰ m/s²，与多个数据集一致。
• 精细结构常数α的恒定性要求真空介电常数ε₀(t)必须与c(t)成反比变化，暗示Z₀ = 1/(ε₀c)才是真正的基本常数。
• 里德伯常数Rᵧ的恒定性进一步约束该理论，要求电子质量mₑ或约化普朗克常数ℏ必须与c(t)同步变化。