Революционная гипотеза новой физики: Три измерения времени, одно измерение пространства

Исследователи надеются, что полученные ими результаты помогут лучше понять явление спонтанного нарушения симметрии, связанное с массой частицы Хиггса и других частиц Стандартной модели, особенно в ранней Вселенной.

Как бы воспринимался наш мир наблюдателями, движущимися в вакууме быстрее света? По мнению теоретиков из Варшавского и Оксфордского университетов, такое восприятие будет отличаться от того, с которым мы сталкиваемся ежедневно: в нем будут присутствовать не только спонтанные явления, но и частицы, движущиеся по нескольким траекториям одновременно.

Кроме того, полностью изменится само понятие времени — сверхсветовой мир придется характеризовать тремя временными и одним пространственным измерениями и описывать его на привычном языке 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 XX века Альберт Эйнштейн полностью переосмыслил наше восприятие времени и пространства. Трехмерное пространство обрело 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 только знаком в некоторых уравнениях, — поясняет профессор Анджей Драган, физик с физического факультета Варшавского университета и Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура.

Эйнштейн основывал свою специальную теорию относительности на двух предположениях — принципе относительности Галилея и постоянстве скорости света. Как утверждает Анджей Драган, решающим является первый принцип, который предполагает, что в любой инерциальной системе законы физики одинаковы, а все инерциальные наблюдатели равны.

Обычно этот принцип применяется к наблюдателям, движущимся 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 предположить — хотя бы теоретически — что мир может наблюдаться из сверхсветовых систем отсчета? Есть шанс, что это позволит включить основные принципы квантовой механики в специальную теорию относительности. Эта революционная гипотеза профессора Анджея Драгана и профессора Артура Экерта из Оксфордского университета была впервые представлена в статье «Квантовый принцип относительности», опубликованной два года назад в журнале New Journal of Physics.

В ней они рассмотрели упрощенный случай обоих семейств наблюдателей в пространстве-времени, состоящем из двух измерений: пространственного и временного. В своей последней публикации «Relativity of superluminal observers in 1 + 3 spacetime» группа из 5 физиков идет дальше — представляет 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 измерения времени, — поясняет профессор Анджей Драган.

«С точки зрения такого наблюдателя частица «стареет» независимо в каждом из трех времен. Но с нашей точки зрения — освещенных едоков хлеба — это выглядит как одновременное движение во всех направлениях пространства, т.е. распространение квантово-механической сферической волны, связанной с частицей», — комментирует профессор Кшиштоф Туржиньский, соавтор работы.

Это, как пояснил профессор Анджей Драган, соответствует сформулированному еще в XVIII веке принципу Гюйгенса, согласно которому каждая точка, достигнутая волной, становится источником новой сферической волны. Первоначально этот принцип распространялся только на световую волну, но квантовая механика распространила его на все остальные 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, которая может быть использована для описания физического мира», — отмечает Анджей Драган.

«До недавнего времени считалось, что постулаты, лежащие в основе квантовой теории, являются фундаментальными и не могут быть выведены из чего-либо более фундаментального. В данной работе мы показали, что обоснование квантовой теории, использующее расширенную относительность, может быть естественным образом обобщено на 1 + 3 пространственное время и такое расширение приводит к выводам, постулируемым квантовой теорией поля», — пишут авторы публикации.

Таким образом, все частицы, по-видимому, обладают необычными — квантовыми! — свойствами в расширенной специальной теории относительности. А работает ли это наоборот? Можем ли мы обнаружить частицы, которые являются обычными для сверхсветовых наблюдателей, т.е. частицы, движущиеся относительно нас со сверхсветовыми скоростями?

«Все не так просто, — говорит профессор Кшиштоф Туржиньский.

«Само по себе экспериментальное открытие новой фундаментальной частицы — это подвиг, достойный Нобелевской премии и осуществимый в большом исследовательском коллективе с использованием новейших экспериментальных методик. 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 компонентом любого механизма спонтанного нарушения симметрии является тахионное поле. По-видимому, сверхсветовые явления могут играть ключевую роль в механизме Хиггса.

Ссылка: «Relativity of superluminal observers in 1 + 3 spacetime» Andrzej Dragan, Kacper Dębski, Szymon Charzyński, Krzysztof Turzyński and Artur Ekert, 30 декабря 2022 г., Classical and Quantum Gravity . DOI: 10.1088/1361-6382/acad60