[论文解读] Variation of the fine structure constant

A. A. Lipovka, Ivan A. Cardenas|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2016

Relativity and Gravitational Theory被引用 5

一句话总结

本文提出，由于宇宙的绝热膨胀，精细结构常数（α）随时间发生微小变化，这种变化归因于强子-电磁耦合系统的能量损失。该研究推导出α的变化率约为每秒1×10⁻¹⁸——处于当前实验极限的可探测范围内——并重新评估了双原子钟实验，指出了在绝热条件下声称检测到α变化的方法论缺陷。

ABSTRACT

In present paper we evaluate the fine structure constant variation which should take place as the Universe is expanded and its curvature is changed adiabatically. This changing of the fine structure constant is attributed to the energy lost by physical system (consist of baryonic component and electromagnetic field) due to expansion of our Universe. Obtained ratio (d alpha)/alpha = 1. 10{-18} (per second) is only five times smaller than actually reported experimental limit on this value. For this reason this variation can probably be measured within a couple of years. To argue the correctness of our approach we calculate the Planck constant as adiabatic invariant of electromagnetic field, from geometry of our Universe in the framework of the pseudo- Riemannian geometry. Finally we discuss the double clock experiment based on Al+ and Hg+ clocks carried out by T. Rosenband et al. (Science 2008). We show that in this particular case there is an error in method and this way the fine structure constant variation can not be measured if the fine structure constant is changed adiabatically.

研究动机与目标

• 探究精细结构常数（α）是否由于宇宙的绝热膨胀及其曲率变化而发生变化。
• 基于宇宙膨胀过程中强子-电磁系统中的能量损失，推导α变化率。
• 通过推导普朗克常数作为伪黎曼几何中的绝热不变量，验证该方法的合理性。
• 使用Al+和Hg+离子的Rosenband等（2008年）双原子钟实验，重新审视其在绝热条件下检测α变化的有效性。
• 识别并纠正实验方法中的错误，这些错误可能使关于检测到α变化的结论无效。

提出的方法

• 将宇宙膨胀建模为绝热过程，基于强子-电磁系统中的能量守恒，推导出α的变化。
• 利用伪黎曼几何，将普朗克常数（h）视为电磁场的绝热不变量，将其与膨胀宇宙的时空几何联系起来。
• 所推导的dα/α表达式基于宇宙曲率的变化率以及电磁场能量的绝热演化。
• 分析Rosenband等（2008年，Science）的双原子钟实验，重点关注Al+和Hg+离子之间的频率比较，以探测α的变化。
• 识别出实验方法中的缺陷：在绝热α变化条件下，假设离子跃迁频率比值恒定，导致结论不一致。
• 分析表明，在真正的绝热演化下，两组钟的频率比并非恒定，因此该方法无法可靠检测α的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于宇宙的绝热膨胀，精细结构常数的变化率预测为何？
• RQ2 在宇宙膨胀过程中，能否基于强子-电磁系统中的能量守恒，一致地推导出α的变化？
• RQ3 在伪黎曼时空几何的背景下，将普朗克常数h正确解释为绝热不变量是否合理？
• RQ4 Rosenband等（2008年）的双原子钟实验是否提供了在绝热条件下检测α变化的有效方法？
• RQ5 当α实际发生绝热变化时，假设双原子钟实验中频率比恒定，会产生何种影响？

主要发现

• 本文预测，由于宇宙膨胀过程中强子-电磁系统的绝热能量损失，α的变化率为dα/α ≈ 1×10⁻¹⁸每秒。
• 该预测的变化率仅比当前实验上限小五倍，表明在未来几年内可能实现测量。
• 将普朗克常数推导为绝热不变量，与伪黎曼时空几何中宇宙的几何结构一致。
• Rosenband等（2008年）的双原子钟实验存在方法论错误：在绝热α变化条件下，假设Al+与Hg+离子的频率比恒定，使其无法有效检测α变化。
• 在真正的绝热演化下，两组钟的频率比并非恒定，因此该方法无法可靠检测α变化。
• 本文结论认为，在假设α绝热变化的前提下，该实验方法声称检测到α变化的结论无效。