[论文解读] Pioneer acceleration and variation of light speed: experimental situation

Antonio Fernández Rañada|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2004

Relativity and Gravitational Theory参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文提出，先驱者异常——表现为约 ~8.5×10⁻¹⁰ m/s² 的恒定朝日加速度——并非源于航天器动力学，而是由宇宙学驱动的、光速的绝热加速度所致，该现象由一个模型预测：由于宇宙膨胀，量子真空的光学密度降低。该模型通过时间依赖的光速解释了深空无线电信号中观测到的线性增加的蓝移，与相对论实验检验一致，前提是精细结构常数的变化可忽略不计。

ABSTRACT

The situation with respect to the experiments is presented of a recently proposed model that gives an explanation of the Pioneer anomalous acceleration $a_{ m P}$. The model is based on an idea already discovered by Einstein in 1907: the light speed depends on the gravitational potential $Φ$, so that it is larger the higher if $Φ$. The potential due to all the mass and energy in the universe increases in time because of its expansion, which has the consequence that light must be slowly accelerating. Moreover it turns out that the observational effects of a universal adiabatic acceleration of light $a_\ell =a_{ m P}$ and of an extra acceleration towards the Sun $a_{ m P}$ of a spaceship would be the same: a blue shift increasing linearly in time, precisely what was observed. The phenomenon would be due to a cosmological acceleration of the proper time of bodies with respect to the coordinate time. It is shown that it agrees with the experimental tests of special relativity and the weak equivalence principle if the cosmological variation of the fine structure constant is zero or very small, as it seems now.

研究动机与目标

• 解释未建模的先驱者航天器加速度是普遍的、绝热的光速增加的结果。
• 调和该光速变化与狭义相对论、弱等效原理和局部洛伦兹不变性实验限制的一致性。
• 证明深空无线电信号中观测到的蓝移与约 ~8.5×10⁻¹⁰ m/s² 的光速加速度预测效应一致。
• 评估该模型与现有引力红移、雷达时间延迟和休斯-德雷弗实验的兼容性。

提出的方法

• 提出一个牛顿型现象学模型，其中由于宇宙膨胀，量子真空的介电常数和磁导率绝热减小，导致光速增加。
• 引入时间依赖的光速变化，aₗ ≈ 10⁻⁹ m/s²，该值由哈勃参数和爱因斯坦1907年关于引力对光速影响的洞见推导得出。
• 利用引力势与真空光学密度之间的关系，推导出相对于坐标时的固有时的宇宙学加速度。
• 应用广义相对论论证，表明预测的光速加速度与爱因斯坦引力红移公式一致。
• 将预测结果与引力红移（光学、精细结构、核伽马、超精细）、雷达时间延迟和厄缶型实验的实验数据进行比较。
• 通过限制精细结构常数的变化（ξ ≤ 3×10⁻⁵），评估该模型与弱等效原理和局部洛伦兹不变性的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 先驱者异常加速度是否可由宇宙学驱动的光速增加来解释，而非引力或机械力？
• RQ2 时变光速如何影响深空无线电信号中的观测频移？其结果是否与观测到的线性增加的蓝移一致？
• RQ3 所提出的光速变化是否与狭义相对论的实验检验及弱等效原理兼容？
• RQ4 该模型对精细结构常数变化施加了何种约束？其与原子光谱和奥克洛反应堆的观测限制相比如何？
• RQ5 该模型能否在广义相对论框架内自洽地嵌入？其是否预测与标准广义相对论相同的光路？

主要发现

• 该模型预测光速加速度为 aₗ ≈ 8.5×10⁻¹⁰ m/s²，与观测到的先驱者异常加速度 aₚ 一致。
• 先驱者航天器无线电信号中观测到的线性增加的蓝移可解释为时间依赖光速的结果，满足 dν/dt = ν·aₚ/c。
• 若精细结构常数的变化被限制在 ξ ≤ 3×10⁻⁵ 以内，则该模型与引力红移实验一致，该范围在当前观测限制之内。
• 若精细结构常数的宇宙学变化可忽略或极小，则该模型与弱等效原理和局部洛伦兹不变性兼容。
• 自1983年光速被固定以来，光速的预测变化约为56 cm/s，理论上可通过高精度实验测量。
• 若参数 χ = 1 且精细结构常数变化 ξ 为零或极小，则该模型与广义相对论兼容，保持对GPS和雷达时间延迟的标准预测。