Скорость света

Что если скорость света изменяется? – Альтернативные космологические модели.

Введение

Константа скорости света является одной из фундаментальных величин физики. Однако, в некоторых альтернативных космологических моделях предполагается, что скорость света могла изменяться на ранних стадиях эволюции Вселенной. Эта гипотеза получила название "Variable Speed of Light (VSL/VSTL) Theory". В данной статье рассмотрены основные идеи VSL, математические модели, их последствия для физики и космологии, а также анализ существующих исследований.

Обзор литературы

Теория изменяющейся скорости света имеет несколько версий, разработанных разными учеными. Впервые подобные идеи появлялись еще в начале XX века, но наибольшее развитие они получили в конце 1990-х годов. Основные исследования, связанные с VSL, включают работы Жуана Магейжу, Андрея Альбрехта и Джона Барроу. В этих работах рассматривается возможность временного изменения c и его влияние на инфляционные модели.

Некоторые статьи также связывают VSL с квантовой гравитацией и модификациями общей теории относительности (ОТО). В 2001 году Барроу предложил модель, в которой скорость света зависит от масштаба Вселенной, что позволило объяснить некоторые космологические аномалии без привлечения инфляции.

Математические модели VSL

Теория VSL и кривая галактической скорости

Объяснение кривых скоростей, которое дает теория VSL, очень простое. Это объяснение не требует какой-либо модификации ньютоновской механики и не требует существования темной материи.

При определении скорости вращения звезды вокруг центра галактики используется измерение сдвига частоты Δf/f сигналов, излучаемых звездой. Наблюдаемый сдвиг связан со скоростью вращения посредством |Δf/f| = v/c.

Отношение Δf/f принимается за абсолютное значение, поскольку его знак зависит от того, приближается источник или удаляется от него.

На самом деле наблюдаемый сдвиг не только измеряет скорость вращения звезды, но и измеряет замедление, которому подвергаются световые лучи, исходящие от звезды, из-за того, что момент te испускания сигнала и момент наблюдения t0 сильно отличаются друг от друга, и во всем этом интервале скорость света, испускаемого атомами в разное время, изменилась.

Важно отметить, что в теории VSLT скорость света не меняется на пути от источника к наблюдателю. Другими словами, пустое пространство на самом деле “пустое” и не оказывает никакого тормозящего действия на фотоны. Что меняется, так это скорость света, испускаемого атомами в разное время. Другими словами,

Тогда ускорение, соответствующее измеренному сдвигу Δf/f, равно сумме двух составляющих:

ag = GM/r2 из−за вращательного движения звезды вокруг ядра, и ac = -Hce из-за разницы в скорости светового сигнала, излучаемого звездой в момент времени t, по отношению к скорости сигнала, излучаемого идентичным источником в момент времени t0 приема. Последнее смещение также измеряется, если ускорение свободного падения равно нулю, а источники сигнала имеют постоянную скорость. Следовательно

Знак абсолютной величины используется потому, что направление ac совпадает с направлением GM/r2. Действительно, когда мы говорили об аномальном ускорении, было видно, что оно направлено в направлении земного наблюдателя, то есть соответствует ускорению свободного падения.

Подводя итог, можно сказать, что когда гравитационная сила пренебрежимо мала, поскольку расстояние до звезды таково, что GM/r2 равно 0, ускорение, приписываемое звезде из-за ее смещения, не равно нулю, а равно ac.

Соотношение между ускорением и скоростью звезды равно a = v2/r. Из этого следует

Эмпирическая зависимость Талли-Фишера

В отличие от случая, когда ac = 0, кривая скорости, представленная соотношением (1), имеет минимум.

После этого минимума тренд становится параболическим (ось параболы параллельна r), что согласуется с трендом, наблюдаемым для галактики на рисунке 1. Чтобы проверить это соотношение, мы используем данные, относящиеся к галактике Андромеды, представленные на диаграмме на рисунке 1. Из этой диаграммы мы можем вывести ускорение a = v2/r. Получен график на рисунке 2.

На графике видно, что модуль ускорения имеет максимум при критическом значении расстояния rcrit = 0,8 × 1020 м.

Чему соответствует это значение? Было сказано, что

Тогда расстояние r можно разделить на две полосы. Тот, в котором измеренное смещение обусловлено вращательным движением и, следовательно, термином GM/r, и следующий диапазон, в котором измеренное смещение обусловлено ускорением ac.

В первом диапазоне соотношение между скоростью и ускорением равно

и график зависимости v от r имеет отрицательный наклон. Во втором диапазоне

и тренд зависимости v от r имеет положительный наклон (тренд равен

параболический с горизонтальной осью и показан на рисунке 1).

Таким образом, ускорение обнуляется в точке разделения двух полос, которая получается при GM/r=r|ac|
Из этого

Тенденция ускорения (в м/с2) звезд в галактике Андромеды в зависимости от расстояния (в метрах) от центра галактики.

Космологические последствия VSL

1. Решение проблемы горизонта — VSL позволяет объяснить однородность космического микроволнового фона без инфляции.
2. Объяснение плоскостности Вселенной — изменяющаяся скорость света влияет на эволюцию кривизны.
3. Влияние на структуру Вселенной — модели VSL могут изменять формирование галактик и крупномасштабных структур.

Давайте посмотрим, как теория относительности объясняет явление космологического красного смещения. Предположим, что источник испускает световой импульс в направлении r, которое соединяет источник и наблюдателя.

Простейшая релятивистская модель предсказывает однородную и изотропную вселенную с плоской геометрией. Эта модель называется плоской моделью FRW. Однородность и симметрия Вселенной в больших масштабах подтверждаются астрономическими наблюдениями. Плоскостность Вселенной является показателем ее кривизны. Существует три возможных типа кривизны, совместимых с допущением однородности и симметрии. То есть геометрия с нулевой, положительной или отрицательной кривизной. Эти три типа кривизны связаны с плотностью вещества, наблюдаемой во Вселенной. Если наблюдаемая плотность равна теоретической плотности

тогда геометрия Вселенной плоская, если она больше критической, то геометрия сферическая, и, наконец, если ρ < p крит. геометрия гиперболическая.

выводя формулы изначального выражения мы можем получить основу формулы VSL- dc/dt = -Hc

Эта формула продемонстрирована в работе Джеффа Ван Ройена [7], исходя из уравнения Фридмана для расширяющейся однородной и изотропной вселенной. В этой статье показано, как расстояние, пройденное лучом света в радиальном направлении, может быть получено путем присвоения свету изменяющейся во времени скорости, равной c(t) = (a0c0)/a(t). Это соотношение подставляется в уравнение Фридмана, и показано, что полученные решения идентичны решениям, полученным при постоянной гипотезе с. Ван Ройен показывает, как гипотеза VSL может решить важные проблемы, такие как горизонт или плоскостность, без необходимости прибегать к инфляционной гипотезе. Однако следует отметить, что гипотеза настоящей статьи существенно отличается от гипотезы VSL, выдвигаемой несколькими авторами [8], [9] для решения некоторых проблем в релятивистской космологии без необходимости прибегать к инфляции.

На самом деле в оптике VSL скорость света изменяется на пути от источника к наблюдателю, и это изменение связано с расширением пространства, как это происходит в релятивистской оптике.

И наоборот, теория VSLT предсказывает изменение c со временем. То есть она предполагает, что один и тот же источник, с изменением во времени, испускает фотоны с разной скоростью. Однажды испущенный фотон перемещается в пустом пространстве с той же скоростью, с которой он был испущен. Его частота во время полета от источника к наблюдателю не меняется. Поэтому нет необходимости предоставлять какой-либо механизм, объясняющий разницу между частотой излучения и наблюдаемой частотой, поскольку это изменение происходит не во время полета, а из-за разницы между временем излучения и временем наблюдения.

Гипотетические расчёты

Для количественной оценки последствий изменения скорости света можно ввести параметр изменения

и анализировать его влияние на космологические параметры. Графики зависимости H(t) при различных значениях могут показать, как изменяется расширение Вселенной. Были представлены доказательства в пользу гипотезы о том, что скорость света изменяется со временем в соответствии с соотношением dc/dt = -Hc, где H - постоянная Хаббла, которая считается универсальной постоянной.

1. Данные наблюдений свидетельствуют в пользу изменяющегося во времени

Эти космические аппараты были оснащены источниками электромагнитного излучения с частотой fe. Сравнивая частоту f0 принимаемого сигнала с частотой fe идентичного источника, размещенного в наземной лаборатории, удалось определить скорость самого космического аппарата с помощью формулы нерелятивистского эффекта Доплера, которая в случае удаляющегося источника дает: f0=fe(1−v/c)

Следовательно, (f0−fe)/fe=−v/c

Отрицательный знак указывает на то, что наблюдаемая частота меньше излучаемой.

Таким образом, было отмечено, что все космические аппараты, отправленные в космос и покинувшие Солнечную систему, вместо того чтобы двигаться с постоянной скоростью (поскольку на достигнутых расстояниях гравитационное притяжение со стороны Солнца ничтожно мало), по-видимому, подвергаются замедлению.=−(8±3)×10−10 м/с−2, в направлении стыковочного космического аппарата-Солнца и направленном на Солнце, которое остается постоянным в течение всего времени наблюдения и которое одинаково для всех наблюдаемых космических аппаратов.

Гипотеза VSL объясняет это замедление (называемое аномальным, поскольку для него не было найдено убедительных объяснений) тем, что изменение Δf/f0 связано не с замедлением космического аппарата, а с тем фактом, что сигнал, используемый для определения скорости, подвержен изменению dc/dt = −Hc, который отражается в идентичном изменении частоты.

Это объясняет, почему (кажущееся) замедление, наблюдаемое для всех космических аппаратов, всегда одинаково, и объясняет, почему это замедление не меняется с течением времени.

Второй эффект, который способна объяснить теория VSL theory, - это аномальная кривая вращения галактик.

Звезды галактики вращаются вокруг своего ядра (считается, что в центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, в которой сосредоточена большая часть галактической массы), совершая движение, которое, согласно ньютоновской механике, приблизительно круговое.

Если m = масса звезды, M = масса ядра, мы можем уравнять гравитационную силу притяжения ядра F = GMm/r2 с центробежной силой, действующей на звезду F = mv2/r, получив v2 = GM/r.

Следовательно, тенденция изменения скорости вращения звезды должна стремиться к нулю по мере увеличения расстояния от центра галактики. На самом деле, с увеличением расстояния скорость звезд не уменьшается до нуля, но после определенного значения rcrit эта скорость остается почти постоянной.

Астрофизики пытались объяснить это явление, используя гипотезу о “темной материи” [3] или гипотезу о том, что каждая галактика окружена ореолом невидимой материи, который заставляет гравитационный потенциал иметь тенденцию, приводящую к наблюдаемой кривой скорости.

Характеристики темной материи должны быть очень специфичными, поскольку эта материя должна быть полностью прозрачной для излучения, но в то же время производить гравитационные эффекты.

Частицы, которые должны составлять темную материю (небарионную), были названы слабаками, и, хотя они исследовались в течение многих десятилетий, их так и не удалось обнаружить. Гипотеза о темной материи не была отвергнута, скорее она стала доминирующей. Основная причина заключается в том, что эта гипотеза позволяет дать ответ на очень серьезную космологическую проблему, поставленную Общей теорией относительности. То есть ОТО определяет так называемое критическое значение плотности вещества во Вселенной. Если бы Вселенная имела такую плотность, ее геометрия была бы плоской.

В настоящее время многие измерения (в том числе и те, которые проводятся для определения космического фонового излучения) показывают, что Вселенная имеет плоскую геометрию, однако плотность вещества, которая получается в результате сложения масс всех видимых галактик, намного ниже критического значения. Темная материя устраняет это расхождение между теоретическим значением плотности и экспериментальным.

Заключение

Гипотеза переменной скорости света предлагает альтернативное объяснение фундаментальных космологических проблем. Хотя на данный момент нет прямых экспериментальных подтверждений VSL, некоторые космологические наблюдения могут быть интерпретированы в рамках этих моделей. Дальнейшие исследования должны включать численные симуляции и анализ реликтового излучения для проверки теоретических предсказаний.

Оба варианта теоретически верны, поскольку научная теория верна, если она последовательна и если она способна делать правильные предсказания. Однако в первой гипотезе наблюдатель придет к выводу, что в точке P есть некоторая масса, которая вызывает вращение объекта вокруг P, и, поскольку он не наблюдает никакой массы в точке P, он придет к выводу, что объект состоит из “темной материи”.

Для полноты картины необходимо сказать, что упомянутые проблемы темной материи и ускоренного расширения Вселенной могут быть, в принципе, решены в рамках расширенной гравитации.

Список литературы

1. Albrecht, A., and Magueijo, J. A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles. Physical Review
2. Barrow, J. D. Cosmologies with varying light speed. Physical Review
3. Moffat, J. W. Superluminary universe: A Possible solution to the initial value problem in cosmology. International Journal of Modern Physics
4. Magueijo, J. New varying speed of light theories. Reports on Progress in Physics,
5. Scientific Research An Acedemic Publisher: https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=108887
6. Cornell University Arxiv: https://arxiv.org/abs/astro-ph/9811022
7. Scientific Research An Acedemic Publisher: https://www.scirp.org/reference/referencespapers?referenceid=2978300
8. Cornell University Arxiv:https://arxiv.org/abs/gr-qc/0211074
9. APS Physical Review Journals: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.59.043515