基本定数の時間変化
現在知られている物理法則との仮説的な矛盾

物理定数という用語は、実験の時間や場所に依存しない、実験測定の対象となる物理量の概念を表します。したがって、あらゆる「物理定数」の不変性（不変性）は実験的検証の対象となります

ポール・ディラックは1937年、重力定数や微細構造定数といった物理定数は、宇宙の年齢に比例して時間とともに変化する可能性があると推測しました。[1] それ以降に行われた実験により、これらの定数の時間依存性には上限が示されました。これは特に微細構造定数、重力定数、そして陽子と電子の質量比に関係しており、これらすべてについて、時間依存性に関する検証を改善するための努力が続けられています。[2]

これらの基本定数の不変性は、現在知られている物理法則の重要な基礎です。物理法則の時間独立性の公理はエネルギー保存則（ノイマンの定理）の公理と結びついており、何らかの変化の発見は、これまで知られていなかった力の法則の発見を意味します。[3]

より哲学的な文脈では、これらの量が一定であるという結論は、なぜ「微調整された宇宙」のように見える中でこれらの量が特定の値を持つのかという疑問を提起する。一方、これらの量が可変であるということは、それらの既知の値は、私たちがたまたまそれらを測定した現在の時間による単なる偶然であることを意味する。[4]

次元

単一の次元の物理定数の変化率（またはその欠如）について単独で議論するのは問題があります。その理由は、単位系の選択によって任意の物理定数が任意に基準として選択される可能性があるため、どの定数が変化しているのかという問題は単位の選択によって生じるからです。[5] [6] [7]

例えば、SI単位では、光速は1983年に定義された値を与えられています。したがって、1983年以前はSI単位で光速を実験的に測定することは意味がありましたが、現在は意味がありません。物理定数の不変性に関する検証では、この問題を回避するために、無次元量、つまり同じ次元を持つ量間の比に注目します。物理定数の変化は、観測的に区別できない宇宙をもたらす場合には意味がありません。例えば、光速cの「変化」は、それに対応する素電荷eの「変化」を伴い、 e 2 : c（微細構造定数）の比が変化しない場合は意味がありません。 [8]

自然単位系は、完全に基本定数に基づいた単位系です。このような単位系では、単位の定義に使用されていない特定の量を測定することに意味があります。たとえば、ストーニー単位では、素電荷はe = 1に設定されていますが、換算プランク定数は測定の対象となり、ħ ≈ 137.03となります。また、プランク単位では、換算プランク定数はħ = 1に設定されていますが、素電荷は測定の対象となり、e ≈ (137.03) 1/2となります。2019年のSI改訂では、すべてのSI基本単位が基本的な物理定数で表され、SIシステムが実質的に自然単位系に変換されています。

微細構造定数

1999年、クエーサーの観測に基づく微細構造定数の時間変動の証拠が発表されました[9]が、CH分子に基づくはるかに正確な研究では、いかなる変動も発見されませんでした[10] [11]。実験室での測定に基づくと、時間変動の上限は年間10の-17乗とされ、2008年に発表されました[12]。超大型望遠鏡（VLT）で採用されたAI解析手法を用いた、わずか8億歳の宇宙のクエーサーの観測では、そのレベルでは無変動モデルよりも空間変動が優先されることが分かりました[13] 3.9 σ {\displaystyle 3.9\sigma}

微細構造定数の時間変化は、光速、プランク定数、真空誘電率、素電荷のうち1 つ以上の時間変化と等価です。 α ＝ e 2 2 ϵ 0 c h {\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{2\epsilon _{0}ch}}}

光速

可変光速（VSL）は、光速が何らかの形で一定ではない可能性があることを示す仮説群の特徴であり、例えば、周波数、空間、または時間の経過によって変化する可能性がある。物理学の広く受け入れられている古典理論、特に一般相対性理論では、任意の局所的な参照系において光速は一定であると予測され、場合によっては参照系に応じて光速が見かけ上変化すると予測されるが、この記事ではこれを可変光速とは呼ばない。重力や宇宙論に関するさまざまな代替理論（その多くは非主流）では、局所的な光速度の変化が組み込まれている。

光の速度の変動を物理学に取り入れようとする試みは、 1957 年にロバート ディッケによって行われ、1980 年代後半からは数人の研究者によって行われました。

VSLは、媒質の屈折率、あるいは重力ポテンシャルにおける遠隔観測者の参照系における媒質の屈折率の測定値に依存する光速理論と混同すべきではありません。この文脈における「光速」は、光子の伝播速度ではなく、理論上の限界速度cを指します。

重力定数

重力定数 Gは正確に測定することが難しく、2000年代の矛盾する測定結果が、2015年の論文でその値の周期的な変化に関する物議を醸す示唆につながりました。[14] しかし、その値は非常に正確には分かっていませんが、宇宙の遠い過去に発生したIa型超新星を観測する可能性と、これらの現象に関係する物理法則が普遍的であるという仮定を組み合わせると、過去90億年以上にわたって年間10の-10未満の上限が許容されます。 [15]この量は、単に重力定数の時間変化（で表され、 Gで割ったものです | G ˙ / G | {\displaystyle |{\dot {G}}/G|} | G ˙ / G | {\displaystyle |{\dot {G}}/G|} G ˙ {\displaystyle {\dot {G}}}

次元量である重力定数の値とその変化は、単位の選択に依存します。例えばプランク単位では、定義により重力定数の値はG = 1に固定されます。Gの時間変化を有意義に検証するには、重力以外の力と比較し、無次元量を得る必要があります。例えば、重力と2つの電子間の静電力の比を求めることで、無次元微細構造定数と相関関係にある無次元量を得ることができます。

陽子と電子の質量比

2012年に行われた遠方銀河におけるメタノールの観測に基づく研究では、陽子対電子質量比の変化の上限は、70億年で10の-7 乗（または年間10の-16乗）とされています。[16] [17]

宇宙定数

宇宙定数は真空のエネルギー密度の尺度です。1990年代に初めて測定され、正の値であることがわかりました。現在（2015年現在）、プランク単位では10の-122乗と推定されています。[18]時間や空間における宇宙定数の変化は観測できませんが、プランク単位での測定値は宇宙の年齢の2乗の逆数、Λ ≈ T -2に非常に近いことが示唆されています。バローとショーは、Λは宇宙の歴史を通してその値がΛ ~ T -2のままであるように進化する場であるという修正理論を提唱しました。 [19]

参照

参考文献

  1. ^ PAM Dirac (1938). "A New Basis for Cosmology". Proceedings of the Royal Society A. 165 ( 921): 199– 208. Bibcode :1938RSPSA.165..199D. doi :10.1098/rspa.1938.0053
  2. ^ CODATA「基本物理定数の推奨値：2010」（2012年3月15日）：「定数の時間変動の可能性は、実験と理論の両面で活発な研究分野であり続けていますが、2010年の推奨値の根拠となったデータに関連する変動は観測されていません。例えば、Uzan（2011）とChiba（2011）による最近のレビューを参照してください。その他の参考文献は、FCDC書誌データベース（physics.nist.gov/constantsbib）で、「時間変動」または「定数」などのキーワードを使用して見つけることができます。」
  3. ^ 「空間および／または時間において変化する定数は、物質と結合するほぼ質量のない場の存在を反映する。これは自由落下の普遍性を破る。したがって、重力と一般相対性理論の妥当性領域を理解するためには、それらの不変性を検証することが極めて重要である。」Uzan (2011)
  4. ^ Uzan (2011) 第7章「なぜ定数はそのような値をとるのか？」：「基本定数の数値は、それらが現れる自然法則によって決定されるわけではない。なぜそれらが我々が観測する値を持つのか疑問に思う人もいるだろう。特に、多くの著者が指摘するように（下記参照）、自然定数は微調整されているように見える[Leslie (1989)]。多くの物理学者は、この微調整を説明変数（deplanan）と捉えており、ホイル[(1965)]の「物理学に現れる奇妙な無次元数については、少なくとも少しの好奇心を持たなければならない」という主張に従っている。」
  5. ^ Duff, MJ (2014). 「基礎定数はどれほど基本的なものか？」Contemporary Physics . 56 (1): 35– 47. arXiv : 1412.2040 . Bibcode :2015ConPh..56...35D. doi :10.1080/00107514.2014.980093. hdl :10044/1/68485. S2CID  118347723.
  6. ^ Duff, MJ (2002年8月13日). 「基本定数の時間変化に関するコメント」. arXiv : hep-th/0208093 .
  7. ^ Duff, MJ; Okun, LB; Veneziano, G. (2002). 「基本定数の数に関するトライアローグ」. Journal of High Energy Physics . 2002 (3): 023. arXiv : physics/0110060 . Bibcode :2002JHEP...03..023D. doi :10.1088/1126-6708/2002/03/023. S2CID  15806354.
  8. ^ バロー、ジョン・D.（2002年）、自然の定数、アルファからオメガへ - 宇宙の最も深い秘密を暗号化した数字、パンテオンブックス、ISBN 0-375-42221-8 αのような純粋数が世界を定義する方法から得られる重要な教訓は、世界が互いに異なることの真の意味です。私たちが微細構造定数と呼び、αで表す純粋数は、電子の電荷e、光速c、プランク定数hの組み合わせです。最初は、光速が遅い世界は別の世界だと考えがちですが、これは間違いです。もしc、h、eがすべて変化し、物理定数表で調べた際にメートル法（またはその他の単位）での値が異なるように変化したとしても、αの値が同じであれば、この新しい世界は観測的に私たちの世界と区別がつかないでしょう。世界の定義において唯一重要なのは、自然界の無次元定数の値です。もしすべての質量の値が2倍になったとしても、質量の比によって定義される純粋数はすべて変化しないため、区別することはできません。
  9. ^ Webb, JK; et al. (2001). 「微細構造定数の宇宙論的進化に関するさらなる証拠」. Physical Review Letters . 87 (9) 091301. arXiv : astro-ph/0012539v3 . Bibcode :2001PhRvL..87i1301W. doi :10.1103/PhysRevLett.87.091301. PMID :  11531558. S2CID  : 40461557.
  10. ^ Truppe, S.; Hendricks, RJ; Tokunaga, SK; Lewandowski, HJ; Kozlov, MG; Henkel, Christian; Hinds, EA; Tarbutt, MR (2013年10月15日). 「冷CH分子のヘルツレベル周波数測定を用いた変動する基本定数の探索」. Nature Communications . 4 2600. arXiv : 1308.1496 . Bibcode :2013NatCo...4.2600T. doi :10.1038/ncomms3600. PMC 3826645. PMID 24129439  . 
  11. ^ 「遠方のクエーサーは基本定数が決して変わらないことを示す」Forbes、2017年1月5日。
  12. ^ Rosenband, T.; et al. (2008). 「Al+およびHg+単一イオン光時計の周波数比：小数点17位での計測」. Science . 319 (5871): 1808–12 . Bibcode :2008Sci...319.1808R. doi : 10.1126/science.11 ​​54622. PMID  18323415. S2CID  206511320.
  13. ^ Wilczynska, Michael R.; Webb, John K.; et al. (2020). 「130億年前の微細構造定数の4つの直接測定」. Science Advances . 6 (17): 9672. arXiv : 2003.07627 . Bibcode :2020SciA....6.9672W. doi : 10.1126/sciadv.aay9672 . PMC 7182409. PMID  32426462 .  
  14. ^ アンダーソン, JD; シューベルト, G.; トリムブル, V.; フェルドマン, MR (2015年4月)「ニュートンの重力定数と一日の長さの測定」EPL , 110 (1) 10002, arXiv : 1504.06604 , Bibcode :2015EL....11010002A, doi :10.1209/0295-5075/110/10002, S2CID  119293843
  15. ^ Mould, J.; Uddin, SA (2014年4月10日)、「Ia型超新星によるGの変動の可能性の制約」オーストラリア天文学会刊行物、31 e015、arXiv : 1402.1534、Bibcode :2014PASA...31...15M、doi :10.1017/pasa.2014.9、S2CID  119292899
  16. ^ Bagdonaite, Julija; Jansen, Paul; Henkel, Christian; Bethlem, Hendrick L.; Menten, Karl M.; Ubachs, Wim (2012年12月13日). 「初期宇宙におけるアルコール由来の漂流陽子対電子質量比に対する厳格な制限」. Science . 339 (6115): 46– 48. Bibcode :2013Sci...339...46B. doi : 10.1126/science.1224898 . PMID  23239626. S2CID  716087.
  17. ^ Moskowitz, Clara (2012年12月13日). 「うわあ！宇宙の定数は一定のまま」. Space.com . 2012年12月14日閲覧。
  18. ^ Ade, PAR; Aghanim, N .; Arnaud, M.; Ashdown, M.; Aumont, J.; Baccigalupi, C.; et al. (Planck Collaboration) (2016年10月). 「Planck 2015 results: XIII. Cosmological parameters」. Astronomy & Astrophysics . 594 : A13. arXiv : 1502.01589 . Bibcode :2016A&A...594A..13P. doi : 10.1051/0004-6361/201525830 .
  19. ^ バロー、ジョン・D. ; ショー、ダグラス・J. (2011)、「宇宙定数の値」、一般相対性理論と重力、43 (10): 2555– 2560、arXiv : 1105.3105、Bibcode :2011GReGr..43.2555B、doi :10.1007/s10714-011-1199-1、S2CID  55125081
  • マルチャーノ, ウィリアム J. (1984). 「基本定数の時間変化とカルツァ＝クライン理論」. Phys. Rev. Lett . 52 (7): 489– 491. Bibcode :1984PhRvL..52..489M. doi :10.1103/physrevlett.52.489.
  • バーシャロヴィッチ、DA;レフシャコフ、SA (1993)。 「物理定数の時間依存性について」。ピズマ Zh.エクスプ。テオル。フィズ。58 (4): 231–235。書誌コード:1993JETPL..58..237V。
  • Dzuba, VA; Flambaum, VV; Webb, JK (1999). 「原子における物理定数の空間時間変化と相対論的補正」. Phys. Rev. Lett . 82 (5): 888. arXiv : physics/9802029 . Bibcode :1999PhRvL..82..888D. doi :10.1103/physrevlett.82.888. S2CID  18462448.
  • Dzuba, VA; Flambaum, VV; Webb, JK (1999). 「多電子原子における相対論的効果の計算と基本定数の時空変化」. Phys. Rev. A . 59 (1): 230– 237. arXiv : physics/9808021 . Bibcode :1999PhRvA..59..230D. doi :10.1103/physreva.59.230. S2CID  1427732.
  • ポール・C・デイヴィス、TM・デイヴィス、CH・ラインウィーバー (2002). 「宇宙論：ブラックホールは変化する定数を制約する」. Nature . 418 (6898): 602–3 . Bibcode :2002Natur.418..602D. doi :10.1038/418602a. PMID  12167848. S2CID  1400235.
  • Dara Faroughy、「ゆっくり進化する初期宇宙と時間依存の基本定数およびレプトン質量の現象論的モデル」（2008 年）、arXiv:0801.1935。
  • Jean-Philippe Uzan、「変化する定数、重力、宇宙論」、Living Rev. Relativ.、14.2 (2011)。
  • 千葉 毅 (2011). 「自然定数の不変性：アップデート」.理論物理学の進歩. 126 (6): 993–1019 . arXiv : 1111.0092 . Bibcode :2011PThPh.126..993C. doi :10.1143/ptp.126.993. S2CID  59381699.
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