Muuttuva valonnopeus

Muuttuva valonnopeus viittaa teorioihin, joiden mukaan valon nopeus tyhjiössä ei ole välttämättä aina vakio.
Väliaineissa valo etenee hitaammin kuin tyhjiössä, mihin perustuu valon taittuminen rajapinnoissa. Eräissä kvanttikenttäteorian laskuissa oletetaan myös, että virtuaalinen fotoni voi liikkua lyhyitä matkoja yleisestä valonnopeudesta poikkeavalla nopeudella, mistä kuitenkaan ei seuraa, että jokin voisi liikkua valoa nopeammin. Nykyisen fysiikan mukaan valon nopeus tyhjiössä on kuitenkin perustava luonnonvakio.
Jos jokin dimensioton, yleensä vakiona pidetty fysikaalinen suure, esimerkiksi hienorakennevakio, muuttuisi ajan funktiona, ilmiön vaikutukset olisivat havaittavissa. Sen sijaan on kyseenalaista, onko edes mielekästä olettaa valon nopeuden kaltaisten dimensiollisten suureiden muuttuvan. Siitä huolimatta joissakin kiistan­alaisissa kosmo­logisissa teorioissa valon nopeuden oletetaan muuttuvan. Tämä kuitenkin edellyttäisi muutoksia myös suppean suhteellisuus­teorian perus­oletuksiin ja muutoinkin laajalti nyky­aikaiseen fysiikkaan, jossa valon­nopeuden c oletetaan olevan vakio.

Muuttuva valonnopeus ja klassinen fysiikka

Fotonin eli sähkö­magneettista vuoro­vaikutusta välittävän valohiukkasen uskotaan olevan massaton. On kuitenkin esitetty teorioita, joiden mukaan sillä olisi pieni massa. Klassisen fysiikan mukaan olisikin peri­aatteessa mahdollista, että fotonilla, samoin kuin neutriinollakin, olisi massa, joskin äärimmäisen vähäinen. Siinä tapauksessa niiden todellisen nopeuden olisi kuitenkin suhteellisuusteorian mukaisesti välttämättä oltava hieman pienempi kuin teorian kaavoissa esiintyvä vakio c, ja lisäksi niillä olisi oltava kolme polarisaatiosuuntaa. Kuitenkaan kvanttikenttäteorian mukaan fotonin massa ei ole sovitettavissa yhteen mittainvarianssin tai renormalisoituvuuden kanssa, minkä vuoksi tätä mahdollisuutta ei yleensä oteta huomioon. Wilsonin efektiivisen kenttäteorian lähestymistavan mukaan fotonin massa olisi ajateltavissa.

Muuttuva valonnopeus ja kvanttiteoria

Kvanttikenttäteoriassa Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta seuraa, että fotonit voivat kulkea lyhyitä matkoja millä nopeudella tahansa. Feynmanin graafeihin perustuvassa tulkinnassa tällaisia sanotaan virtuaalisiksi fotoneiksi. Richard Feynman ilmaisi asian eräällä luennollaan näin: ...valolla on myös amplitudi, jonka mukaan se voi kulkea tavallista nopeammin tai hitaammin. Edellisellä luennolla opitte, ettei valo aina kulje suora­viivaisesti; nyt opitte, ettei se edes kulje aina valon nopeudella! Saatatte yllättyä siitä, että fotonilla on amplitudi, jonka määräämissä rajoissa se voi kulkea tavan­omaista nopeutta c nopeammin tai hitaammin." Tällaiset virtuaaliset fotonit eivät riko suppean suhteellisuus­teorian kausaliteettiperiaatetta, sillä ne eivät ole suoraan havaittavissa eivätkä voi välittää informaatiota. Feynmanin graafeja ja virtuaalisia fotoneja ei pidetäkään kuvauksena siitä, mitä todella tapahtuu, vaan lähinnä mukavana laskentatyövälineenä, joka tosin tietyissä tapauksissa edellyttää valnnopeutta suurempia nopeusvektoreja.

Kosmologiset teoriat

Kosmologisen teorian, joiden mukaan valonnopeus muuttuu, ovat esittäneet toisistaan riippumatta Jean-Pierre Petit vuonna 1988 John Moffat vuonna 1992, sekä Andreas Albrecht ja João Magueijo yhdessä vuonna 1998 Tällä teoriallaan he ovat yrittäneet selittää kosmologisen horisonttiongelman ja esittää vaihtoehdon kosmiselle inflaatiolle. On esitetty toinenkin vaihtoehtoinen malli, joka mukaan valonnopeus muuttuisi.
Petit'n teorian mukaan valonnopeuden muutokseen liittyy, että kaikki muutkin avaruuteen ja aikaan liittyvät fysikaaliset vakiot muuttuvat, kuitenkin niin, että kaikki näihin liittyvät yhtälöt ja mittaus­tulokset pysyvät samoina koko maailman­kaikkeuden kehityksen ajan. Einsteinin kenttäyhtälöt pysyvät invariantteina, kun c ja G muuttuvat sopivalla tavalla. Malli rajoittaa niiden vaihtelua maailmankaikkeuden alku­vaiheen suuren energiantiheyden vallitessa, säteilyn aikakauden alkaessa. Kuitenkin on huomattava, että vaikka tämä oli ensimmäinen julkaistu malli, jonka mukaan valonnopeus muuttuu, ja edelleenkin ainoa, joka sisältää myös lain, jonka mukaisesti se muuttuu, hänen artikkeliinsa ei ole useinkaan viitattu myöhemmässä asiaa käsittelevässä kirjallisuudessa.
Moffatin sekä Albrechtin ja Magueijon teorian mukaan valon nopeus oli varhaisessa maailman­kaikkeudessa jopa 60 suuruusluokkaa suurempi kuin nykyään, minkä vuoksi laajenevan maailman­kaikkeuden kaukaiset osat saattoivat vuorovaikuttaa keskenään. Horisonttiongelmalle ei ole keksitty sellaista ratkaisua, jonka mukaan hienorakennevakio muuttuisi, koska sen vaihtelut eivät muuttaisi suhteellisuusteorian mukaista aika-avaruuden kausaliteettirakennetta. Tämä edellyttäisi, että joko myös gravitaatiovakio muuttuisi tai että suppeaa suhteellisuus­teoriaa olisi muutettava. Jotkin muuttuvan valonnopeuden teoriat edellyttävätkin, että suhteellisuus­teorian mukaista Lorenzin muunnosta on muutettava tietyllä tavalla. Eräiden uudempien muotoilujen mukaan se kuitenkin pitäisi lokaalisti paikkansa sellaisenaan.