[论文解读] Varying G and Other Constants

John D. Barrow|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 1997

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文综述了在标量-张量引力理论和高维统一理论中，基本常数（特别是引力常数 G）变化的理论框架。文章分析了其对弗里德曼宇宙学、原初黑洞形成以及对 G 和精细结构常数的观测约束的影响，全面概述了现代宇宙学与量子引力中基本常数变化的问题。

ABSTRACT

We review recent progress in the study of varying constants and attempts to explain the observed values of the fundamental physical constants. We describe the variation of $G$ in Newtonian and relativistic scalar-tensor gravity theories. We highlight the behaviour of the isotropic Friedmann solutions and consider some striking features of primordial black hole formation and evaporation if $G$ varies. We discuss attempts to explain the values of the constants and show how we can incorporate the simultaneou s variations of several 'constants' exactly by using higher-dimensional unified theories. Finally, we describe some new observational limits on possible space or time variations of the fine structure constant.

研究动机与目标

• 研究基本常数（如 G 和精细结构常数）随时间或空间变化的理论模型。
• 探讨在标量-张量引力和弗里德曼-罗伯逊-沃尔克模型中，G 变化带来的宇宙学后果。
• 研究高维统一理论在同时变化多个常数中的作用。
• 评估精细结构常数时间与空间变化的观测约束。
• 评估在 G 随时间变化的条件下，原初黑洞形成与蒸发的影响。

提出的方法

• 构建允许通过与引力耦合的标量场动态变化 G 的标量-张量引力理论。
• 在 G 变化的背景下分析各向同性弗里德曼解，推导出修改后的宇宙学演化方程。
• 将该框架应用于原初黑洞的形成与蒸发，表明其质量与寿命标度发生改变。
• 引入高维统一（如卡鲁扎-克莱因或弦理论启发的模型），以同时变化多个常数。
• 利用观测数据（包括类星体吸收谱）约束精细结构常数的时间变化。
• 应用来自量子引力与宇宙学模型的一致性条件，以限制基本常数可能的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 G 的变化如何影响早期宇宙的动力学以及原初黑洞的形成？
• RQ2 具有时间变化引力常数的标量-张量理论具有哪些宇宙学意义？
• RQ3 高维统一理论能否自然解释多个基本常数的同时变化？
• RQ4 从类星体吸收线得出的精细结构常数时间变化的观测限制是什么？
• RQ5 变化的常数如何影响哈勃参数的演化与宇宙的膨胀历史？

主要发现

• 在标量-张量理论中，变化的 G 导致弗里德曼方程发生修改，从而改变宇宙的膨胀历史。
• 在 G 变化的场景中，原初黑洞的形成阈值和蒸发速率与标准广义相对论不同。
• 高维统一为多个常数（如 G 和精细结构常数）的同时变化提供了自洽的框架。
• 类星体吸收谱的观测限制表明，精细结构常数的时间变化满足 Δα/α < 10^-5（在宇宙时空中）。
• 本文确立了变化常数在宇宙学模型中是可行的，但必须满足严格的观测约束。
• 理论一致性要求基本常数的变化在宇宙时空中保持微小，以避免与核合成及大尺度结构产生矛盾。