[论文解读] Variation of Physical constants, Redshift and the Arrow of time

M. Kafatos, Sisir Roy+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出，自然的基本常数——如光速和引力常数——并非固定不变，而是随宇宙时间变化，从而导致一个动态宇宙，其中表观的宇宙膨胀和红移源于物理参数的演化。通过假设标度关系 $ c \equiv \dot{R} $，作者表明时间之箭与宇宙学巧合（例如狄拉克的大数）可自然地从微观与宏观量之间的标度不变关系中产生。

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.

研究动机与目标

• 通过允许基本常数随宇宙时间变化，解决其观测值为何如此的未解之谜。
• 将宇宙学巧合（例如狄拉克的大数假说）解释为标度不变关系的后果，而非异常现象。
• 建立一个公理化框架，其中常数的变化导致宇宙表观膨胀及推导出的时间之箭。
• 将量子真空介电常数和磁导率的变化与高红移类星体中的可观测红移效应联系起来。
• 将时间之箭与核子数 $ N_p $ 的演化统一，表明其源于常数的变化，而非作为基本假定。

提出的方法

• 采用标度假说，即光速 $ c $ 在普朗克时间及以后恒等于宇宙标度因子 $ R $ 的变化率，即 $ c \equiv \dot{R} $。
• 运用温伯格1972年的关系式，并证明其与狄拉克1937年关系式的等价性，为微观与宏观尺度之间标度不变的数值关系奠定基础。
• 将量子真空建模为因常数演化而具有可变介电常数和磁导率，从而导致不依赖于时空膨胀的红移效应。
• 将该框架应用于高红移类星体观测，提出光谱线中的异常可能源于基本常数的变化，而非宇宙动力学。
• 引入两种互补视角的对偶性：常数为固定值（标准宇宙学）与常数为演化值（本模型），其中时间之箭源于后者。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的大数巧合（如狄拉克和艾丁顿的大数）能否不被视为巧合，而解释为标度不变关系的后果？
• RQ2 宇宙的表观膨胀与观测到的红移是否源于基本常数的变化，而非时空几何？
• RQ3 时间之箭能否从物理常数的演化中推导而出，特别是核子数 $ N_p $ 的持续增加？
• RQ4 真空介电常数和磁导率的变化如何影响光的传播并导致红移？
• RQ5 是否存在一个一致的框架，使多个常数（如 $ c $、$ G $、$ \alpha $）以保持物理一致性与观测相容的方式同时变化？

主要发现

• 在普朗克时间假设 $ c \equiv \dot{R} $ 导致标度不变关系，自然地将微观物理与宇宙学尺度联系起来。
• 观测到的红移可解释为由于常数演化导致的真空介电常数和磁导率变化的后果，而不仅源于时空膨胀。
• 时间之箭源于核子数 $ N_p $ 从初始值1增加到 $ \sim 10^{80} $ 的过程，时间感知源于常数的演化。
• 该模型将宇宙学巧合（如基本常数的比值）解释为标度框架的固有特征，而非谜题。
• 常数的变化导致动态的量子真空，可能解释高红移类星体光谱中的异常现象。
• 该框架提供双重描述：常数为固定值（标准观点）或为演化值（本模型），其中时间之箭源于后者。