Три измерения времени, одно измерение пространства: Относительность сверхсветовых наблюдателей в пространстве-времени 1+3

Как бы выглядел наш мир для наблюдателей, движущихся быстрее света в вакууме? Такая картина явно отличалась бы от той, с которой мы сталкиваемся ежедневно. "Мы должны ожидать увидеть не только явления, которые происходят спонтанно, без детерминированной причины, но и частицы, которые движутся одновременно несколькими путями", - утверждают теоретики из университетов Варшавы и Оксфорда.

Об этом рассказали в Варшавском университете.

Кроме того, само понятие времени было бы полностью изменено - сверхсветовые миры должны были бы характеризоваться тремя временными и одним пространственным измерениями, и их пришлось бы описывать привычным языком теории поля. Оказывается, что наличие таких сверхсветовых наблюдателей не приводит ни к чему логически противоречивому, более того, вполне возможно, что сверхсветовые объекты действительно существуют.

В начале 20-го века Альберт Эйнштейн полностью пересмотрел наше восприятие времени и пространства. Трехмерное пространство приобрело четвертое измерение - время, и понятия времени и пространства, до сих пор разделенные, стали рассматриваться как единое целое. "В специальной теории относительности, сформулированной в 1905 году Альбертом Эйнштейном, время и пространство отличаются лишь знаком в некоторых уравнениях, - объясняет проф. Анджей Драган, физик с физического факультета Варшавского университета и Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура.

Эйнштейн основывал свою специальную теорию относительности на двух предположениях: Принцип относительности Галилея и постоянство скорости света. Как утверждает Анджей Драган, решающее значение имеет первый принцип, который предполагает, что в каждой инерциальной системе законы физики одинаковы, а все инерциальные наблюдатели равны. "Обычно этот принцип применяется к наблюдателям, которые движутся относительно друг друга со скоростями, меньшими скорости света (c). Однако нет никаких фундаментальных причин, по которым наблюдатели, движущиеся относительно описываемых физических систем со скоростями, превышающими скорость света, не должны ему подчиняться", - утверждает Драган.

Что произойдет, если мы предположим - хотя бы теоретически - что мир можно наблюдать из сверхсветовых систем отсчета? Есть шанс, что это позволит включить основные принципы квантовой механики в специальную теорию относительности. Эта революционная гипотеза проф. Анджея Драгана и проф. Артура Экерта из Оксфордского университета впервые была представлена в статье "Квантовый принцип относительности", опубликованной два года назад в журнале New Journal of Physics.

Там они рассмотрели упрощенный случай обоих семейств наблюдателей в пространстве-времени, состоящем из двух измерений: пространственного и временного. В своей последней публикации в журнале Classical and Quantum Gravity, озаглавленной "Относительность сверхсветовых наблюдателей в пространстве-времени 1+3", группа из 5 физиков идет дальше, представляя выводы о полном четырехмерном пространстве-времени.

Авторы исходят из концепции пространства-времени, соответствующей нашей физической реальности: с тремя пространственными измерениями и одним измерением времени. Однако, с точки зрения сверхсветового наблюдателя, только одно измерение этого мира сохраняет пространственный характер - то, по которому могут двигаться частицы.

"Остальные три измерения - это временные измерения", - объясняет проф. Анджей Драган. С точки зрения такого наблюдателя, частица "стареет" независимо в каждом из трех времен. Но с нашей точки зрения - освещенных едоков хлеба - это имеет вид одновременного движения во всех направлениях пространства, то есть распространение квантово-механической сферической волны, связанной с частицей", - комментирует проф. Кшиштоф Туржиньский, соавтор статьи.

Это, как объясняет проф. Анджей Драган, в соответствии с принципом Гюйгенса, сформулированным в 18 веке, согласно которому каждая точка, достигнутая волной, становится источником новой сферической волны. Первоначально этот принцип применялся только к световой волне, но квантовая механика распространила его на все другие формы материи.

Как доказывают авторы публикации, включение в описание сверхсветовых наблюдателей требует создания нового определения скорости и кинематики. "Это новое определение сохраняет постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в вакууме даже для сверхсветовых наблюдателей", - доказывают авторы статьи. "Поэтому наша расширенная специальная относительность не кажется особенно экстравагантной идеей", - добавляет Драган.

Как меняется описание мира, в который мы вводим сверхсветовые наблюдатели? После учета сверхсветовых решений мир становится недетерминированным, частицы - вместо того, чтобы двигаться по одной - начинают двигаться по многим траекториям одновременно, в соответствии с квантовым принципом суперпозиции.

"Для сверхсветового наблюдателя классическая ньютоновская точечная частица перестает иметь смысл, и поле становится единственной величиной, которую можно использовать для описания физического мира", - отмечает Анджей Драган. "До недавнего времени было принято считать, что постулаты, лежащие в основе квантовой теории, являются фундаментальными и не могут быть выведены из чего-то более фундаментального. В этой работе мы показали, что обоснование квантов

"Для сверхсветового наблюдателя классическая ньютоновская точечная частица перестает иметь смысл, и поле становится единственной величиной, которую можно использовать для описания физического мира", - отмечает Анджей Драган. "До недавнего времени было принято считать, что постулаты, лежащие в основе квантовой теории, являются фундаментальными и не могут быть выведены из чего-то более фундаментального. В этой работе мы показали, что обоснование квантовой теории, которое использует расширенную относительность, может быть естественным образом обобщено на 1 + 3 пространственное время, и такое расширение приводит к выводам, которые постулируются квантовой теорией поля", - пишут авторы публикации.

Поэтому кажется, что все частицы имеют необычные свойства в расширенной специальной относительности. Работает ли это наоборот? Можем ли мы обнаружить частицы, которые являются обычными для сверхсветовых наблюдателей, то есть частицы, движущиеся относительно нас со сверхсветовыми скоростями?

"Все не так просто", - говорит проф. Кшиштоф Туржиньский. "Само по себе экспериментальное открытие новой фундаментальной частицы - это подвиг, достойный Нобелевской премии, который осуществили в большой исследовательской группе с использованием новейших экспериментальных методов. Однако мы надеемся применить наши результаты для лучшего понимания явления спонтанного нарушения симметрии, связанного с массой частицы Хиггса и других частиц Стандартной модели, особенно в ранней Вселенной".

Анджей Драган добавляет, что важнейшим ингредиентом любого механизма спонтанного нарушения симметрии является тахионное поле. Похоже, что сверхсветовые явления могут играть ключевую роль в механизме Хиггса.