Люди пока не умеют передвигаться со скоростью света. Однако авторы нового исследования решили понять, что бы такие наблюдатели видели. «Хайтек» рассказывает подробности о новом эксперименте.
В начале ХХ века Альберт Эйнштейн полностью изменил восприятие времени и пространства людьми, пересмотрев саму суть этих концепций. Вместо привычного трехмерного пространства, он предложил время в качестве четвертого измерения. Да, и в целом, понятия времени и пространства, которые существовали отдельно, стали трактоваться как единое целое.
Два принципа и специальная теория относительности
Такое видение мира физик сформулировал в специальной теории относительности в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Время и пространство «по Эйнштейну» различаются только знаком в некоторых уравнениях.
В целом, физик основывал специальную теорию относительности на двух предположениях: принципах относительности Галилея и постоянства скорости света.
- Согласно принципу относительности Галилея, законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Это значит, что математическая форма второго и третьего законов Ньютона не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
- Согласно принципу постоянства скорости света, скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Что хотели проверить ученые?
Авторы нового исследования особое внимание уделили первому принципу, который предполагает, что в каждой инерциальной системе действуют одни и те же законы физики и все инерциальные наблюдатели равны. Примечательно, что обычно его применяют к наблюдателям, которые движутся относительно друг друга со скоростями, которые меньше скорости света. Однако нет фундаментальной причины, по которой наблюдателей, движущихся относительно описываемых физических систем с большими скоростями, не ждет тоже самое. Этот постулат стал основой нового исследования.
Физики решили проверить, (конечно, пока теоретически), что произойдет, если наблюдать мир из сверхсветовых систем отсчета. Возможно, это позволит включить основные принципы квантовой механики в специальную теорию относительности. Авторы революционной гипотезы — профессора Анджей Драган и Артур Экерт из Оксфордского университета.
Главные вопросы
Ученые задались вопросом, как бы увидели наш мир наблюдатели, которые движутся быстрее скорости света в вакууме. Они предположили, что они наблюдали бы не только явления, которые происходят спонтанно, без детерминированной причины, но и частицы, путешествующие одновременно по нескольким путям.
Кроме того, физики считают, что и само понятие времени было бы другим. Так, сверхсветовой мир характеризовался бы тремя временными измерениями и одним — пространственным. При этом, его требовалось бы описать на знакомом языке теории поля. Выходит, что присутствие сверхсветовых наблюдателей, логически, не противоречит науке. А, значит, сверхсветовые объекты действительно существуют. Ученые решили это проверить.
Авторы исходят из концепции пространства-времени, соответствующего 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 — это измерения времени
С точки зрения такого наблюдателя частица «стареет» независимо в каждом из трех времен. Но для нас это выглядит как одновременное движение во всех направлениях пространства, т. е. распространение квантово-механической сферической волны, связанной с частицей.
Это соответствует принципу Гюйгенса, сформулированному в XVIII веке, согласно которому каждая точка, достигаемая волной, становится источником новой сферической волны. Первоначально его применяли только к световой волне, но квантовая механика распространила его на другие формы материи.
В итоге, включение в описание сверхсветовых наблюдателей требует создания нового определения скорости и кинематики. Оно сохраняет постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в вакууме даже для сверхсветовых наблюдателей. Поэтому их расширенная специальная теория относительности не кажется такой уж «экстравагантной идеей», — объясняют ученые.
Как это меняет мир?
После учета сверхсветовых решений мир становится недетерминированным, а частицы двигаются сразу по множеству траекторий, в соответствии с квантовым принципом суперпозиции.
Согласно принципу детерменированности, существует строгая однозначная связь между величинами, характеризующими состояние механической системы в заданный момент времени, и значениями этих величин в любой последующий (или предыдущий) момент времени.
В мире детерминизма каждое событие с необходимостью вызывается предшествующими, а также законами природы. Под жесткой детерминированностью процессов понимается однозначная предопределенность, то есть у каждого следствия есть строго определенная причина. В итоге, согласно расширенной теории относительности, наша реальность становится непредопределенной и похожа на хаос.
На самом деле, для сверхсветового наблюдателя частица, которая живет по законам классической механики, перестает иметь смысл, и поле становится единственной величиной, которую можно использовать для описания физического мира.
До недавнего времени считалось, что принципы, которые составляют саму основу квантовой теории, — фундаментальны. Однако мысленный эксперимент ученых показал: обоснование квантовой теории с помощью расширенной теории относительности можно обобщить концепцией четырех измерений (пространство-время 1+3). Такое расширение связывает относительность с выводам, постулируемыми квантовой теорией поля.
Что в итоге?
Таким образом, в расширенной специальной теории относительности все частицы, похоже, обладают экстраординарными свойствами. Но работает ли это наоборот? Можно ли мы найти обычные для сверхсветовых наблюдателей частицы, те, которые движутся относительно нас со сверхсветовыми скоростями?
Увы, это не так просто, объясняют ученые. Одно только экспериментальное открытие новой фундаментальной частицы — уже подвиг. Однако ученые все же надеются использовать результаты исследования, чтобы лучше понять явления спонтанного нарушения симметрии, связанного с массой бозона Хиггса и других частиц в Стандартной модели, особенно в ранней Вселенной.
Ключевым компонентом любого механизма спонтанного нарушения симметрии является тахионное поле. Возможно, именно сверхсветовые явления играют ключевую роль в механизме Хиггса (теории, которая описывает, как частицы-переносчики слабого взаимодействия приобретают массы).
Читать далее:
Выяснилось, сколько лет воде, которую мы пьем сегодня
17-летний инженер придумал безмагнитный двигатель: его смогут применять в электромобилях