سرعة الضوء المتغيرة

على الرغم من أن سرعة الضوء تُعتبر عمومًا ثابتة، إلا أن فكرة أن "الثوابت" الفيزيائية قد تكون متغيرة لها تاريخ طويل. ومن أوائل المقترحات في هذا الشأن فرضية أعداد ديراك الكبيرة . ويُعد البحث عن تغيرات في هذه الثوابت وسيلة مهمة لاختبار القوانين الفيزيائية. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

ينص مبدأ التكافؤ لأينشتاين ، الذي تقوم عليه النسبية العامة ، على أن سرعة الضوء ثابتة في أي إطار مرجعي محلي يسقط سقوطًا حرًا. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ومع ذلك، يبقى احتمال أن يحسب مراقب قصوري، عند استنتاجه للسرعة الظاهرية للضوء في منطقة بعيدة، قيمة مختلفة. ويُعدّ التغير المكاني لسرعة الضوء في مجال الجاذبية، كما يُقاس بالنسبة إلى مرجع زمني لمراقب بعيد، جزءًا لا يتجزأ من النسبية العامة. ^{[ 5 ]} تتغير السرعة الظاهرية للضوء في مجال الجاذبية، وتحديدًا، تؤول إلى الصفر عند أفق الحدث كما يراه مراقب بعيد. ^{[ 6 ]} عند اشتقاق الانزياح الأحمر التثاقلي الناتج عن جسم ضخم متناظر كرويًا، يمكن تعريف سرعة الضوء الشعاعية dr / dt في إحداثيات شوارزشيلد ، حيث t هو الزمن المسجل على ساعة ثابتة عند اللانهاية. والنتيجة هي

${\displaystyle {\frac {dr}{dt}}=1-{\frac {2m}{r}},}$

حيث m تساوي MG / c² ^، وحيث تُستخدم الوحدات الطبيعية بحيث تكون c₀ _مساوية للواحد. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

في عام 1957، وضع روبرت ديك نظرية VSL للجاذبية، وهي نظرية (على عكس النسبية العامة) يمكن أن تتغير فيها سرعة الضوء المقاسة محليًا بواسطة مراقب يسقط سقوطًا حرًا. ^{[ 9 ]} افترض ديك أن كلًا من الترددات والأطوال الموجية يمكن أن تتغير، وهو ما لم يحدث منذ ذلك الحين.${\displaystyle c=\nu \lambda }$نتج عن ذلك تغير نسبي في قيمة c . افترض ديك معامل انكسار${\displaystyle n={\frac {c}{c_{0}}}=1+{\frac {2GM}{rc^{2}}}}$(المعادلة  5) وأثبت أنها تتوافق مع القيمة المرصودة لانحراف الضوء. وفي تعليق متعلق بمبدأ ماخ ، أشار ديك إلى أنه على الرغم من صغر الجزء الأيمن من الحد في المعادلة 5، فإن الجزء الأيسر، 1، قد يكون "أصله في بقية المادة في الكون".

بالنظر إلى أنه في كون ذي أفق متزايد، تساهم كتل متزايدة في معامل الانكسار المذكور أعلاه، فقد افترض ديك نموذجًا كونيًا تتناقص فيه قيمة c بمرور الوقت، مما يوفر تفسيرًا بديلًا للانزياح الأحمر الكوني . ^{[ 9 ] : 374}

نُشرت عدة فرضيات حول اختلاف سرعة الضوء، والتي تبدو متعارضة مع نظرية النسبية العامة، بما في ذلك فرضيات جير وتان (1986) ^{[ 10 ]} وسانيجو (2009) ^{[ 11 ]} . وفي عام 2003، قدم ماجويجو مراجعة لهذه الفرضيات ^{[ 12 ] .}

تم اقتراح نماذج كونية بسرعات ضوء متغيرة ^{[ 13 ] بشكل مستقل من قبل جان بيير بيتي في عام 1988، [ 14 ]} وجون موفات في عام 1992، ^{[ 15 ]} وفريق أندرياس ألبريشت وجواو ماجويجو في عام 1998 ^{[ 16 ]} لشرح مشكلة الأفق في علم الكونيات واقتراح بديل للتضخم الكوني .

تُعدّ الوحدات أساسية للقياسات التجريبية، ومقارنة نتائج التجارب بالنظرية تستلزم بالضرورة ربط الوحدات بالثوابت الفيزيائية. الثوابت الفيزيائية ذات الوحدات ليست جوهرية. يمكن التعبير عن أي معادلة لقانون فيزيائي بصيغة تُقاس فيها جميع الكميات ذات الأبعاد بالنسبة لكميات مماثلة في الأبعاد (وتُسمى هذه العملية باللا بُعدية )، مما ينتج عنه كميات لا بُعدية فقط . إن تغيير هذه الكميات اللا بُعدية هو وحده ما يُغير طبيعة الفيزياء. ^{[ 17 ]} يمكن التعبير عن نظرية فيزيائية تفترض ثابت بنية دقيقة متغير إما بسرعة ضوء متغيرة أو بشحنة كهربائية متغيرة. ^{[ 18 ]}

كثيرًا ما يعتمد الفيزيائيون وحدات طبيعية تأخذ فيها الثوابت الفيزيائية c و G و ħ  = h /(2π)  و 4π ε ₀ و k _B القيمة واحد ، مما يؤدي إلى معايرة كل كمية فيزيائية بالنسبة لوحدة بلانك المقابلة لها . ^{[ 18 ]} عند استخدام وحدات بلانك والتعبير عن معادلات القوانين الفيزيائية بهذه الصيغة غير البعدية، لا تبقى أي ثوابت فيزيائية بعدية مثل c و G و ħ و ε ₀ و k _B ، بل تبقى فقط كميات لا بعدية، ^{[ 19 ]} كما تنبأت به نظرية باكنغهام π .

في عام 1937، بدأ بول ديراك وآخرون بدراسة تبعات تغير الثوابت الطبيعية مع الزمن. ^{[ 20 ]} فعلى سبيل المثال، اقترح ديراك تغيرًا بمقدار 5 أجزاء فقط من 10^ ¹¹ سنويًا في ثابت نيوتن للجاذبية G لتفسير ضعف قوة الجاذبية نسبيًا مقارنةً بالقوى الأساسية الأخرى . وقد عُرف هذا لاحقًا باسم فرضية ديراك للأعداد الكبيرة .

مع ذلك، أوضح ريتشارد فاينمان ^{[ 21 ]} أن ثابت الجاذبية على الأرجح لم يتغير بهذا القدر خلال الأربعة مليارات سنة الماضية استنادًا إلى الملاحظات الجيولوجية وملاحظات النظام الشمسي، على الرغم من أن هذا قد يعتمد على افتراضات حول تغير G بمعزل عن غيره. (انظر أيضًا مبدأ التكافؤ القوي ).

زعمت إحدى المجموعات البحثية، التي تدرس الكوازارات البعيدة، رصد تغير في ثابت البنية الدقيقة ^{[ 22 ]} بمستوى جزء واحد من 10⁵ ^. ويشكك باحثون آخرون في هذه النتائج. وتزعم مجموعات بحثية أخرى تدرس الكوازارات عدم وجود أي تغير ملحوظ عند حساسيات أعلى بكثير. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

استُخدم المفاعل النووي الطبيعي في أوكلو للتحقق مما إذا كان ثابت البنية الدقيقة الذرية α قد تغير على مدى الملياري سنة الماضية. وذلك لأن α يؤثر على معدل التفاعلات النووية المختلفة. على سبيل المثال، ¹⁴⁹يلتقط الساماريوم نيوترونًا ليصبح ¹⁵⁰بما أن معدل التقاط النيوترونات يعتمد على قيمة α ، فإن نسبة نظيري الساماريوم في عينات من أوكلو يمكن استخدامها لحساب قيمة α قبل ملياري سنة. وقد حللت عدة دراسات التركيزات النسبية للنظائر المشعة المتبقية في أوكلو، وخلصت معظمها إلى أن التفاعلات النووية آنذاك كانت مشابهة إلى حد كبير لما هي عليه اليوم، مما يعني أن قيمة α كانت هي نفسها أيضاً. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

اقترح بول ديفيز وزملاؤه أنه من الممكن من حيث المبدأ تحديد أي من الثوابت ذات الأبعاد ( الشحنة الأولية ، وثابت بلانك ، وسرعة الضوء) التي يتكون منها ثابت البنية الدقيقة هو المسؤول عن التغير. ^{[ 28 ]} ومع ذلك، فقد تم دحض هذا الرأي من قبل آخرين، وهو غير مقبول عمومًا. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

من منظور عام، أعرب كل من جي إف آر إليس وجان فيليب أوزان عن مخاوفهما من أن اعتماد سرعة ثابتة للكون (c) سيتطلب إعادة صياغة جزء كبير من الفيزياء الحديثة لاستبدال النظام الحالي الذي يعتمد على سرعة ثابتة للكون . ^{[ 31 ] [ 32 ]} وادعى إليس أن أي نظرية تعتمد على سرعة ثابتة للكون (c) تتطلب ما يلي: (1) إعادة تعريف قياسات المسافة؛ (2) تقديم تعبير بديل لموتر القياس في النسبية العامة؛ (3) إمكانية التناقض مع مبدأ لورنتز؛ (4) تعديل معادلات ماكسويل ؛ (5) التوافق مع جميع النظريات الفيزيائية الأخرى. ولا تزال نماذج الكونيات ذات السرعة الثابتة للكون خارج التيار الرئيسي للفيزياء.