„Нищо не е по-бързо от светлината“, това е строг физичен закон, на който се подчиняват всички правила на съвременната физика и представлява същността на „Специалната теория на относителността“ на Айнщайн.

Но изследователи от Варшавския и Оксфордския университет отворят нови граници в теорията на относителността, за да достигнат до правила, които не противоречат на текущата физика, и също така проправят пътя за нови физически теории.

Тяхното изследване е публикувано в Journal of Classical and Quantum Gravity.

Как би изглеждал нашият свят за наблюдатели, които се движат по-бързо от светлината във вакуум?

Такава картина би се различавала ясно от това, което срещаме всеки ден.

Тахионите

До 60-те години на ХХ в. се е смятало за безсмислено да се обсъжда движение със свръхсветлинна скорост. Но във физиката няма "свещени крави" и един индийски учен, Джордж Сударшан (George Sudarshan) за първи път предположил възможността за съществуването на тахионите - частици, движещи се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината и доказал, че това не противоречи на теорията на относителността.

Невъзможно е да се забави тахион до скоростта на светлината

Един лесен начин да се изведе тахиона от формулите на специалната теории на относителността е да се положи масата като имагинерна величина ( m = i.m0 или m2 < 0 ) във формулата за енергията, която за да бъде реална е необходимо v > c, т.е. получаваме тахион, частица, движеща се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината.

При забавяне на такава частица, се увеличава енергията й, а ако се забави до скоростта на светлината, енергията й ще се увеличава безкрайно. Това означава, че е невъзможно да се забави тахиона до скоростта на светлината, както е невъзможно обикновена масивна частица да достигне скоростта на светлината.

Свръхсветлинните частици притежават много непривични за нас свойства. За нас е естествено една частица, ако губи енергия, да забави движението си. При тахионите е обратното - губейки енергия, той се ускорява. Когато скоростта на тахиона стане значително по-голяма от скоростта на светлината, при v → ∞, енергията му може да стане нула, E = 0, но импулсът ще остане краен и различен от нула: p → m0c. Може да се каже, че тахионът с безкрайно голяма скорост може да се намери във всяка точка от траекторията му, аналогично на това, както във квантовата механика частица с нулева скорост може да се намери във всяка пространствена точка x.

"Би трябвало да очакваме да видим не само явления, които се случват спонтанно, без детерминистична (определена) причина, но и частици, които се движат едновременно по множество траектории", твърдят теоретиците от университетите във Варшава и Оксфорд.

Също така самото понятие за време ще бъде напълно променено - свръхсветлинният свят ще трябва да се характеризира с три времеви измерения и едно пространствено измерение и може да се опише на познатия език на теорията на полето. Оказва се, че наличието на такива свръхсветлинни наблюдатели не води до нещо логически несъвместимо, нещо повече, напълно възможно е свръхсветлинните обекти наистина да съществуват.

В началото на 20-и век Алберт Айнщайн напълно променя начина, по който възприемаме времето и пространството. Триизмерното пространство придоби четвърто измерение - време, а концепциите за време и пространство, досега разделени, започват да се третират като едно цяло.

"В Специалната теория на относителността, формулирана през 1905 г. от Алберт Айнщайн, времето и пространството се различават само по знака в някои от уравненията - обяснява професор Анджей Драган (Andrzej Dragan), физик от Физическия факултет на Варшавския университет и Центъра за квантови технологии на Националния университет на Сингапур.

Айнщайн обосновава своята Специална теория на относителността на две предположения - принципа на относителността на Галилей и постоянството на скоростта на светлината. Както твърди Анджей Драган, от решаващо значение е първият принцип, който предполага, че във всяка инерциална система законите на физиката са еднакви и всички инерциални наблюдатели са равни.

Обикновено този принцип се прилага за наблюдатели, които се движат един спрямо друг със скорост, по-малка от скоростта на светлината (c). Няма обаче фундаментална причина, поради която наблюдателите, движещи се спрямо описаните физични системи със скорости, по-големи от скоростта на светлината, да не са подвластни на него, твърди Драган.

Какво се случва, когато приемем, поне теоретично, че светът би могъл да се наблюдава от свръхсветлинни отправни рамки?

Съществува вероятност това да позволи включването на основните принципи на квантовата механика в Специалната теория на относителността. Тази революционна хипотеза на професор Анджей Драган и професор Артур Екерт (Artur Ekert) от Оксфордския университет, е представена за първи път в статията "Квантовият принцип на относителността", публикувана преди две години в New Journal of Physics.

Там те разглеждат опростения случай на двете семейства наблюдатели в пространство-време, състоящо се от две измерения: едно пространствено и едно времево измерение. В най-новата си публикация "Относителност на свръхсветлинни наблюдатели в 1 + 3 пространство-време" група от 5 физици отива още по-далеч - представя заключения за пълно четириизмерно пространство-време. Авторите изхождат от концепцията за пространство-време, съответстваща на нашата физическа реалност: с три пространствени измерения и едно измерение на времето.

От гледна точка на свръхсветлинния наблюдател обаче само едно измерение на този свят запазва пространствен характер - това, по което могат да се движат частиците.

"Другите три измерения са измерения на времето", обяснява професор Анджей Драган.

"От гледна точка на такъв наблюдател частицата "остарява" независимо във всяко от трите времеви измерения. Но от нашата гледна точка - за които има горна граница на сткоростта на светлината, това изглежда като едновременно движение във всички посоки на пространството, т.е. разпространение на квантовомеханична сферична вълна, свързана с частица", коментира професор Кшищоф Туржински (Krzysztof Turzyński), съавтор на статията.

Това, както обяснява професор Анджей Драган, е в съответствие с принципа на Хюйгенс, формулиран още през XVIII век, според който всяка точка, достигната от вълна, става източник на нова сферична вълна. Първоначално този принцип се е прилагал само за светлинната вълна, но квантовата механика го разширява до всички други форми на материята.

Както доказват авторите на публикацията, включването на свръхсветлинни наблюдатели в описанието изисква създаването на нова дефиниция на скоростта и кинематиката. Тази нова дефиниция запазва постулата на Айнщайн за постоянството на скоростта на светлината във вакуум дори за свръхсветлинни наблюдатели, доказват авторите на статията. "Следователно нашата разширена Специална теория на относителността не изглежда като особено екстравагантна идея", добавя Драган.

Как се променя описанието на света, в който въвеждаме свръхсветлинни наблюдатели? След като вземем предвид свръхсветлинните решения, светът става недетерминистичен, частиците вместо по една започват да се движат по много траектории едновременно, в съответствие с квантовия принцип на суперпозицията.

"За свръхсветлинния наблюдател класическата Нютонова точкова частица престава да има смисъл и полето се превръща в единствената величина, която може да се използва за описание на физическия свят", отбелязва Анджей Драган.

"Доскоро се смяташе, че постулатите, залегнали в основата на квантовата теория, са фундаментални и не могат да бъдат изведени от нищо по-основно. В тази работа показахме, че обосновката на квантовата теория с помощта на разширената теория на относителността, може по естествен начин да се обобщи за 1 + 3 пространство-време и такова разширение води до заключения, постулирани от квантовата теория на полето" - пишат авторите на публикацията.

Всички частици, следователно, изглежда имат необикновени - квантови! свойства в разширената специална теория на относителността. Работи ли обратното? Можем ли да открием частици, които са нормални за свръхсветлинните наблюдатели, т.е. частици, движещи се спрямо нас със свръхсветлинна скорост?

"Не е толкова просто", отговаря професор Кшищоф Туржински.

"Самото експериментално откриване на нова фундаментална частица е подвиг, достоен за Нобелова награда и осъществим в голям изследователски екип, използващ най-новите експериментални техники. Ние обаче се надяваме да приложим резултатите си за по-добро разбиране на явлението спонтанно нарушаване на симетрията, свързано с масата на частицата на Хигс и други частици в Стандартния модел, особено в ранната Вселена."

Анджей Драган добавя, че решаващата съставка на всеки механизъм за спонтанно нарушаване на симетрията е тахионно поле. Изглежда, че свръхсветлинните явления могат да играят ключова роля в механизма на Хигс.

“Relativity of superluminal observers in 1 + 3 spacetime” by Andrzej Dragan, Kacper Dębski, Szymon Charzyński, Krzysztof Turzyński and Artur Ekert, 30 December 2022, Classical and Quantum Gravity. DOI: 10.1088/1361-6382/acad60

A Revolutionary New Physics Hypothesis: Three Time Dimensions, One Space Dimension, University Of Warsaw