Нова революційна гіпотеза: три виміри часу, один вимір простору

Як би наш світ сприймали спостерігачі, що рухаються у вакуумі швидше за світло? На думку теоретиків з Варшавського та Оксфордського університетів, така точка зору відрізнятиметься від того, з чим ми стикаємося щодня, оскільки присутні не лише спонтанні явища, але й частинки, що рухаються кількома шляхами одночасно. Крім того, саме поняття часу було б повністю трансформовано — надсвітловий світ мав би характеризуватися трьома часовими вимірами та одним просторовим виміром, і його потрібно було б описувати звичною мовою теорії поля. Виявляється, наявність таких надсвітлових спостерігачів не призводить ні до чого логічно суперечливого, більш того, цілком можливо, що надсвітлові об’єкти дійсно існують.

«На початку 20 століття Альберт Ейнштейн повністю переосмислив наше сприйняття часу та простору. Тривимірний простір отримав четвертий вимір – час, а поняття часу і простору, досі розділені, почали розглядати як одне ціле. У спеціальній теорії відносності, сформульованій у 1905 році Альбертом Ейнштейном, час і простір відрізняються лише знаком у деяких рівняннях», – пояснює професор Анджей Драган, фізик з факультету фізики Варшавського університету та Центру квантових технологій ім. Національний університет Сінгапуру.

Ейнштейн заснував свою спеціальну теорію відносності на двох припущеннях – принципі відносності Галілея та сталості швидкості світла. Як стверджує Анджей Драган, основним є перший принцип, який припускає, що в кожній інерціальній системі закони фізики однакові, а всі інерціальні спостерігачі рівні.

Як правило, цей принцип застосовується до спостерігачів, які рухаються один відносно одного зі швидкостями, меншими за швидкість світла (с). Однак немає фундаментальних причин, чому спостерігачі, які рухаються відносно описаних фізичних систем зі швидкостями, вищими за швидкість світла, не повинні піддаватися цьому, стверджує Драган.

Що станеться, якщо ми припустимо — принаймні теоретично — що світ можна спостерігати з надсвітлових систем відліку? Є шанс, що це дозволить включити основні принципи квантової механіки в спеціальну теорію відносності. Ця революційна гіпотеза професора Анджея Драгана та професора Артура Екерта з Оксфордського університету вперше представлена ​​в статті «Квантовий принцип відносності», опублікованій два роки тому в New Journal of Physics.

Там вони розглянули спрощений випадок обох сімей спостерігачів у просторі-часі, що складається з двох вимірів: одного просторового та одного виміру часу. У своїй останній публікації «Відносність надсвітлових спостерігачів у просторі-часі 1+3» група з 5 фізиків йде ще далі — представляючи висновки про повний чотиривимірний простір-час. Автори виходять з концепції простору-часу, що відповідає нашій фізичній реальності: з трьома просторовими вимірами та одним часовим виміром. Однак, з точки зору надсвітлового спостерігача, тільки один вимір цього світу зберігає просторовий характер, той, по якому можуть рухатися частинки.

«Інші три виміри — це виміри часу», — пояснює професор Анджей Драган.

«З точки зору такого спостерігача, частинка «старіє» незалежно в кожному з трьох часів. Але з нашої точки зору – тих, хто їсть освітлений хліб – це виглядає як одночасний рух у всіх напрямках простору, тобто поширення квантово-механічної сферичної хвилі, пов’язаної з частинкою», – коментує професор Кшиштоф Туржинський, співавтор статті.

Це, як пояснює професор Анджей Драган, відповідає принципу Гюйгенса, сформульованому ще у XVIII столітті, згідно з яким кожна точка, досягнута хвилею, стає джерелом нової сферичної хвилі. Цей принцип спочатку застосовувався лише до світлової хвилі, але квантова механіка поширила цей принцип на всі інші форми матерії.

Як доводять автори публікації, включення в опис надсвітлових спостерігачів вимагає створення нового визначення швидкості та кінематики. – Це нове визначення зберігає постулат Ейнштейна про сталість швидкості світла у вакуумі навіть для надсвітлових спостерігачів, – доводять автори статті. «Тому наша розширена спеціальна теорія відносності не здається особливо екстравагантною ідеєю», – додає Драган.

Як змінюється опис світу, до якого ми вводимо надсвітлових спостерігачів? Після врахування надсвітлових рішень світ стає недетермінованим, частинки – замість однієї – починають рухатися відразу по багатьох траєкторіях, відповідно до квантового принципу суперпозиції.

«Для надсвітлового спостерігача класична ньютонівська точкова частинка втрачає сенс, і поле стає єдиною величиною, яку можна використовувати для опису фізичного світу», — зазначає Анджей Драган.

«Донедавна вважалося, що постулати, які лежать в основі квантової теорії, є фундаментальними й не можуть бути виведені з чогось більш базового. У цій роботі ми показали, що обґрунтування квантової теорії, використовуючи розширену теорію відносності, може бути природним чином узагальнено до простору-часу 1+3, і таке розширення призводить до висновків, постулованих квантовою теорією поля», – пишуть автори публікації.

Отже, всі частинки, здається, мають надзвичайний – квант! – властивості в розширеній спеціальній теорії відносності. Це працює навпаки? Чи можемо ми виявити частки, які є нормальними для надсвітлових спостерігачів, тобто частинки, що рухаються відносно нас із надсвітловими швидкостями?

«Це не так просто», — каже професор Кшиштоф Туржинський.

«Просте експериментальне відкриття нової фундаментальної частинки є подвигом, гідним Нобелівської премії, і можливим у великій дослідницькій групі з використанням новітніх експериментальних методів. Проте ми сподіваємося застосувати наші результати для кращого розуміння явища спонтанного порушення симетрії, пов’язаного з масою частинки Хіггса та інших частинок у Стандартній моделі, особливо в ранньому Всесвіті».

Анджей Драган додає, що ключовим інгредієнтом будь-якого спонтанного механізму порушення симетрії є тахіонне поле. Здається, що надсвітлові явища можуть відігравати ключову роль у механізмі Хіггса.