Una velocidad variable de la luz ( VSL ) es una característica de una familia de hipótesis que establecen que la velocidad de la luz puede, de alguna manera, no ser constante , por ejemplo, que varía en el espacio o el tiempo, o dependiendo de la frecuencia . Las teorías clásicas aceptadas de la física , y en particular la relatividad general , predicen una velocidad constante de la luz en cualquier marco de referencia local y en algunas situaciones predicen variaciones aparentes de la velocidad de la luz dependiendo del marco de referencia, pero este artículo no se refiere a esto como una velocidad variable de la luz. Varias teorías alternativas de la gravitación y la cosmología , muchas de ellas no convencionales, incorporan variaciones en la velocidad local de la luz.
Robert Dicke intentó incorporar una velocidad variable de la luz a la física en 1957 y varios investigadores lo hicieron a partir de finales de los años 1980.
La VSL no debe confundirse con las teorías de velocidad superior a la luz , su dependencia del índice de refracción de un medio o su medición en el marco de referencia de un observador remoto en un potencial gravitatorio . En este contexto, la "velocidad de la luz" se refiere a la velocidad límite c de la teoría en lugar de a la velocidad de propagación de los fotones .
El principio de equivalencia de Einstein , en el que se basa la relatividad general , requiere que en cualquier sistema de referencia local en caída libre, la velocidad de la luz sea siempre la misma. [1] [2] Sin embargo, esto deja abierta la posibilidad de que un observador inercial que infiera la velocidad aparente de la luz en una región distante pueda calcular un valor diferente. La variación espacial de la velocidad de la luz en un potencial gravitatorio medido contra la referencia temporal de un observador distante está presente implícitamente en la relatividad general. [3] La velocidad aparente de la luz cambiará en un campo gravitatorio y, en particular, irá a cero en un horizonte de sucesos visto por un observador distante. [4] Al derivar el corrimiento al rojo gravitacional debido a un cuerpo masivo esféricamente simétrico, se puede definir una velocidad radial de la luz dr / dt en coordenadas de Schwarzschild , donde t es el tiempo registrado en un reloj estacionario en el infinito. El resultado es
donde m es MG / c 2 y donde se utilizan unidades naturales tales que c 0 es igual a uno. [5] [6]
Robert Dicke , en 1957, desarrolló una teoría de gravedad VSL, una teoría en la que (a diferencia de la relatividad general) la velocidad de la luz medida localmente por un observador en caída libre podría variar. [7] Dicke asumió que tanto las frecuencias como las longitudes de onda podrían variar, lo que desde entonces resultó en un cambio relativo de c . Dicke asumió un índice de refracción (ecuación 5) y demostró que era consistente con el valor observado para la desviación de la luz. En un comentario relacionado con el principio de Mach , Dicke sugirió que, mientras que la parte derecha del término en la ecuación 5 es pequeña, la parte izquierda, 1, podría tener "su origen en el resto de la materia en el universo".
Dado que en un universo con un horizonte creciente cada vez más masas contribuyen al índice de refracción anterior, Dicke consideró una cosmología donde c disminuye con el tiempo, proporcionando una explicación alternativa al corrimiento al rojo cosmológico . [7] : 374
Se han desarrollado modelos de velocidad variable de la luz, incluido el de Dicke, que coinciden con todas las pruebas conocidas de la relatividad general. [8]
Otros modelos establecen un vínculo con la hipótesis de los grandes números de Dirac . [9] [ ¿Por qué? ]
Se han publicado varias hipótesis sobre la variación de la velocidad de la luz, aparentemente en contradicción con la teoría de la relatividad general, incluidas las de Giere y Tan (1986) [10] y Sanejouand (2009). [11] En 2003, Magueijo hizo una revisión de dichas hipótesis. [12]
Modelos cosmológicos con velocidades variables de la luz [13] fueron propuestos independientemente por Jean-Pierre Petit en 1988, [14] John Moffat en 1992, [15] y el equipo de Andreas Albrecht y João Magueijo en 1998 [16] para explicar el problema del horizonte de la cosmología y proponer una alternativa a la inflación cósmica .
En 1937, Paul Dirac y otros comenzaron a investigar las consecuencias de los cambios de las constantes naturales con el tiempo. [17] Por ejemplo, Dirac propuso un cambio de solo 5 partes en 10 11 por año de la constante de gravitación newtoniana G para explicar la debilidad relativa de la fuerza gravitacional en comparación con otras fuerzas fundamentales . Esto se ha conocido como la hipótesis de los grandes números de Dirac .
Sin embargo, Richard Feynman demostró [18] que la constante gravitacional probablemente no podría haber cambiado tanto en los últimos 4 mil millones de años basándose en observaciones geológicas y del sistema solar, aunque esto puede depender de suposiciones sobre la variación de G de manera aislada. (Véase también principio de equivalencia fuerte ).
Un grupo que estudia cuásares distantes ha afirmado haber detectado una variación de la constante de estructura fina [19] en el nivel de una parte en 10 5 . Otros autores cuestionan estos resultados. Otros grupos que estudian cuásares afirman que no se detecta ninguna variación a sensibilidades mucho más altas. [20] [21] [22]
El reactor nuclear natural de Oklo se ha utilizado para comprobar si la constante de estructura fina atómica α podría haber cambiado a lo largo de los últimos 2.000 millones de años. Esto se debe a que α influye en la velocidad de varias reacciones nucleares. Por ejemplo,149
Pequeño
captura un neutrón para convertirse en150
Pequeño
, y dado que la tasa de captura de neutrones depende del valor de α , la relación de los dos isótopos de samario en muestras de Oklo se puede utilizar para calcular el valor de α de hace 2 mil millones de años. Varios estudios han analizado las concentraciones relativas de isótopos radiactivos que quedaron en Oklo, y la mayoría ha concluido que las reacciones nucleares de entonces eran muy similares a las de hoy, lo que implica que α también era el mismo. [23] [24]
Paul Davies y sus colaboradores han sugerido que, en principio, es posible desentrañar cuál de las constantes dimensionales (la carga elemental , la constante de Planck y la velocidad de la luz ) de las que se compone la constante de estructura fina es responsable de la variación. [25] Sin embargo, esto ha sido cuestionado por otros y no es generalmente aceptado. [26] [27]
Para aclarar qué significa realmente una variación en una cantidad dimensional , dado que cualquier cantidad de ese tipo puede modificarse simplemente modificando la elección de unidades, John Barrow escribió:
Cualquier ecuación de ley física puede expresarse en una forma en la que todas las cantidades dimensionales se normalizan contra cantidades de dimensiones similares (llamada adimensionalización ), lo que resulta en que solo quedan cantidades adimensionales . Los físicos pueden elegir sus unidades de modo que las constantes físicas c , G , ħ = h /(2π) , 4π ε 0 y k B tomen el valor uno , lo que resulta en que cada cantidad física se normalice contra su unidad de Planck correspondiente . Por eso, se ha afirmado que especificar la evolución de una cantidad dimensional no tiene sentido. [29] Cuando se utilizan unidades de Planck y tales ecuaciones de ley física se expresan en esta forma adimensionalizada, no quedan constantes físicas dimensionales como c , G , ħ , ε 0 ni k B , solo cantidades adimensionales, como predice el teorema π de Buckingham . Aparte de su dependencia de la unidad antropométrica , no hay velocidad de la luz, constante gravitacional ni constante de Planck que permanezcan en expresiones matemáticas de la realidad física que estén sujetas a tal variación hipotética. [ cita requerida ] Por ejemplo, en el caso de una constante gravitacional hipotéticamente variable, G , las cantidades adimensionales relevantes que potencialmente varían en última instancia se convierten en las proporciones de la masa de Planck con respecto a las masas de las partículas fundamentales . Algunas cantidades adimensionales clave (que se cree que son constantes) que están relacionadas con la velocidad de la luz (entre otras cantidades dimensionales como ħ , e , ε 0 ), en particular la constante de estructura fina o la relación de masas protón-electrón , podrían en principio tener una variación significativa y su posible variación continúa siendo estudiada. [29]
Desde un punto de vista muy general, GFR Ellis y Jean-Philippe Uzan expresaron su preocupación por el hecho de que una c variable requeriría una reescritura de gran parte de la física moderna para reemplazar el sistema actual que depende de una c constante . [30] [31] Ellis afirmó que cualquier teoría de c variable (1) debe redefinir las mediciones de distancia; (2) debe proporcionar una expresión alternativa para el tensor métrico en la relatividad general; (3) podría contradecir la invariancia de Lorentz; (4) debe modificar las ecuaciones de Maxwell ; y (5) debe realizarse de manera consistente con respecto a todas las demás teorías físicas. Las cosmologías VSL permanecen fuera de la física convencional.
