Ничто не может двигаться быстрее света, в нашем понимании законов физики, включая три пространственных и одно временное измерение. Но что, если бы мы могли двигаться быстрее? Недавно исследователи преодолели этот предел и продемонстрировали систему, которая не противоречит существующей физике и даже может открыть путь к новым теориям, включая ту, которая включает вселенную с тремя измерениями времени для одного измерения пространства.
В начале 20-го века Альберт Эйнштейн полностью пересмотрел то, как мы воспринимаем время и пространство. Трехмерное пространство приобрело четвертое измерение - время. Ранее раздельные понятия времени и пространства оказались неразрывно связанными. Это теория специальной относительности, основанная на двух предположениях - принципе относительности Галилея и постоянстве скорости света.
Более точно, специальная относительность ограничена объектами, находящимися в движении относительно инерциальных систем отсчета. Другими словами, наблюдатели в относительном движении воспринимают время по-разному: вполне возможно, что два события происходят одновременно с точки зрения одного наблюдателя, но в разное время с точки зрения другого. И оба наблюдателя были бы правы. Одновременность относительна.
Обычно этот принцип применяется к наблюдателям, движущимся относительно друг друга со скоростями меньше скорости света. Но наблюдатели, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света, также могут следовать этим физическим законам, как объясняет Анджей Драган, соавтор нового исследования, опубликованного в журнале Classical and Quantum Gravity.
Недавно он и его коллеги определили новую основу для последовательного описания физических явлений, связанных со скоростями, близкими к скорости света. Они предложили "расширение специальной относительности", которое объединяет три измерения времени с одним измерением пространства, в отличие от трех измерений пространства и одного измерения времени, которые мы знаем.
Новое исследование основывается на более ранней работе тех же исследователей, которые постулировали, что сверхсветовые перспективы (за пределами скорости света) могут помочь связать квантовую механику с теорией специальной относительности Эйнштейна - одним из фундаментальных вопросов физиков.
Эта новаторская гипотеза профессоров Анджея Драгана и Артура Экерта из Оксфордского университета была впервые представлена два года назад в журнале New Journal of Physics. В ней они рассмотрели упрощенный случай двух наблюдателей в пространстве-времени, состоящем из двух измерений: пространственного и временного.
В своей последней публикации они и их коллеги идут на шаг дальше, как говорится в пресс-релизе, представляя результаты исследований полного четырехмерного пространства-времени. Авторы начинают с концепции пространства-времени, соответствующей нашей физической реальности: три пространственных измерения и одно временное. 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 Драган. Поэтому, с точки зрения такого наблюдателя, частица "стареет" независимо в каждом из трех временных измерений. Драган добавляет: "Но с нашей точки зрения, это выглядит как одновременное движение во всех направлениях пространства, то есть распространение квантовомеханической сферической волны, связанной с частицей".
Кроме того, авторы отмечают, что в этой модели скорость света в вакууме остается постоянной даже для наблюдателей, движущихся быстрее нее, что позволяет сохранить один из фундаментальных принципов Эйнштейна.
Исходя из этой новой модели, сверхсветовые объекты будут напоминать частицу, расширяющуюся в пространстве подобно пузырю. Высокоскоростной объект, с другой стороны, "переживет" несколько различных временных линий.
Однако исследователи признают, что переход к модели "1+3 пространства-времени" вызывает новые вопросы, несмотря на ответы, которые она дает. Они предполагают, что необходимо расширение специальной теории относительности для включения в нее более быстрых, чем свет, систем отсчета.
Другими словами, включение в описание сверхсветовых наблюдателей требует нового определения скорости и кинематики. Это предполагает сочетание понятий из специальной теории относительности, квантовой механики и классической теории поля (цель которой - предсказать, как физические поля взаимодействуют друг с другом).
По мнению авторов, включая сверхсветовые решения, все частицы начинают двигаться сразу по нескольким траекториям, в соответствии с квантовым принципом суперпозиции. Для наблюдателя, находящегося в сверхтекучем пространстве, классическая ньютоновская точечная частица больше не имеет смысла, и поле становится единственной величиной, которую можно использовать для описания физического мира, отмечает Драган.
Поэтому кажется, что все частицы обладают квантовыми свойствами, а также свойствами специальной относительности. Как уже говорилось ранее, возникает множество новых вопросов:
"А работает ли это наоборот? Можем ли мы обнаружить частицы, которые являются нормальными для сверхсветовых наблюдателей, то есть частицы, движущиеся относительно нас со сверхсветовыми скоростями? Все не так просто", — заключает соавтор исследования Кшиштоф Туржиньский.