Относительность сверхсветовых наблюдателей в пространстве-времени 1+3

Как бы выглядел наш мир с точки зрения наблюдателей, движущихся быстрее света в вакууме? Такая картина явно отличалась бы от того, с чем мы сталкиваемся каждый день. «Мы должны ожидать увидеть не только явления, которые происходят спонтанно, без детерминированной причины, но и частицы, движущиеся одновременно по нескольким траекториям», — утверждают физики-теоретики из университетов Варшавы и Оксфорда.

Также само понятие времени было бы полностью преобразовано — сверхсветовой мир должен был бы характеризоваться тремя временными измерениями и одним пространственным измерением, и его пришлось бы описывать на знакомом языке теории поля.

Оказывается, наличие таких сверхсветовых наблюдателей не приводит ни к чему логически непоследовательному, более того, вполне возможно, что сверхсветовые объекты действительно существуют.

В начале 20-го века Альберт Эйнштейн полностью пересмотрел то, как мы воспринимаем время и пространство. 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», — объясняет профессор Анджей Драган.

Эйнштейн основал свою специальную теорию относительности на двух допущениях: принципе относительности Галилея и постоянстве скорости света. Как утверждает Анджей Драган, решающее значение имеет первый принцип, который предполагает, что в каждой инерциальной системе законы физики одинаковы, и все инерциальные наблюдатели равны.

«Как правило, этот принцип применим к наблюдателям, которые движутся относительно друг друга со скоростями, меньшими скорости света (c). Однако нет никакой фундаментальной причины, по которой наблюдатели, движущиеся относительно описанных физических систем со скоростями, превышающими скорость света, не должны быть подвержены этому», — утверждает Анджей Драган.

Что происходит, когда мы предполагаем — по крайней мере теоретически, — что мир можно наблюдать из сверхсветовых систем отсчета? Есть шанс, что это позволило бы включить основные принципы квантовой механики в специальную теорию относительности. Эта революционная гипотеза впервые была представлена в статье «Квантовый принцип относительности», опубликованной два года назад.

Там ученые рассмотрели упрощенный случай обоих семейств наблюдателей в пространстве-времени, состоящем из двух измерений: одного пространственного и одного временного. В своей последней публикации в журнале «Классическая и квантовая гравитация», озаглавленной «Относительность сверхсветовых наблюдателей в пространстве-времени 1 + 3», группа из 5 физиков делает еще один шаг вперед, представляя выводы о полном четырехмерном пространстве-времени.

Авторы исходят из концепции пространства-времени, соответствующей нашей физической реальности: с тремя пространственными измерениями и одним временным измерением. 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», — объясняет Анджей Драган. «С точки зрения такого наблюдателя, частица «стареет» независимо в каждом из трех периодов времени. Но с нашей точки зрения — это выглядит как одновременное движение во всех направлениях пространства, то есть распространение квантово-механической сферической волны, связанной с частицей».

Это происходит 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 этот принцип 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 теория относительности не кажется особенно экстравагантной идеей».

Как меняется описание мира, в который мы вводим сверхсветовых наблюдателей? После учета сверхсветовых решений мир становится недетерминированным, частицы — вместо одной за раз — начинают двигаться сразу по многим траекториям, 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 обычно считалось, что постулаты, лежащие в основе квантовой теории, являются фундаментальными и не могут быть выведены из чего-либо более фундаментального. В этой работе мы показали, что обоснование квантовой теории, использующей расширенную теорию относительности, может быть естественным образом обобщено на 1 + 3 пространства-времени и такое расширение приводит к выводам, постулируемым квантовой теорией поля», — пишут авторы публикации.

Таким образом, в расширенной специальной теории относительности все частицы, по-видимому, обладают экстраординарными свойствами. Работает ли это наоборот? Можем ли мы обнаружить частицы, которые являются нормальными для сверхсветовых наблюдателей, то есть частицы, движущиеся относительно нас со сверхсветовыми скоростями?

«Это не так просто», — говорит профессор Кшиштоф Турзинский, соавтор работы. «Простое экспериментальное открытие новой фундаментальной частицы — это подвиг, достойный Нобелевской премии и осуществимый большой исследовательской группой, использующей новейшие экспериментальные методы. Однако мы надеемся применить наши результаты для лучшего понимания явления спонтанного нарушения симметрии, связанного с массой частицы Хиггса и других частиц в стандартной модели, особенно в ранней Вселенной».

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

Исследование было опубликовано в Classical and Quantum Gravity.