Люди поки не вміють пересуватися зі швидкістю світла. Однак автори нового дослідження вирішили зрозуміти, що б такі спостерігачі бачили.
На початку ХХ століття Альберт Ейнштейн повністю змінив сприйняття часу і простору людьми, переглянувши саму суть цих концепцій. Замість звичного тривимірного простору, він запропонував час в якості четвертого виміру. Так, і в цілому, поняття часу і простору, які існували окремо, стали трактуватися як єдине ціле.
Два принципи і спеціальна теорія відносності
Таке бачення світу фізик сформулював в спеціальній теорії відносності в 1905 році Альбертом Ейнштейном. Час і простір «по Ейнштейну» розрізняються тільки знаком в деяких рівняннях.
Загалом, фізик базував спеціальну теорію відносності на двох припущеннях: принципах відносності Галілея та постійності швидкості світла.
- Відповідно до принципу відносності Галілея, закони механіки однакові у всіх інерційних системах відліку. Це означає, що математична форма другого і третього законів Ньютона не змінюється при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої.
- Відповідно до принципу сталості швидкості світла, швидкість світла в порожнечі однакова у всіх інерційних системах відліку і не залежить від руху джерел і приймачів світла.
Що хотіли перевірити вчені?
Автори нового дослідження особливу увагу приділили першому принципу, який передбачає, що в кожній інерціальній системі діють одні і ті ж закони фізики і всі інерціальні спостерігачі рівні. Примітно, що зазвичай його застосовують до спостерігачів, які рухаються відносно один одного зі швидкостями, які менше швидкості світла. Однак немає фундаментальної причини, по якій спостерігачів, що рухаються щодо описуваних фізичних систем з великими швидкостями, не чекає те ж саме. Цей постулат став основою нового дослідження.
Фізики вирішили перевірити, (звичайно, поки теоретично), що станеться, якщо спостерігати світ з надсвітлових систем відліку. Можливо, це дозволить включити основні принципи квантової механіки в спеціальну теорію відносності. Автори революційної гіпотези – професори Анджей Драган і Артур Екерт з Оксфордського університету.
- Розумна контактна лінза діагностує хворобу Альцгеймера на ранній стадії
- Передбачення астронома Іоганна Кеплера збуваються
- Вчений з Копенгагена виявив демона епілепсії на табличці з Ассирії
Головне питання
Вчені задалися питанням, як би побачили наш світ спостерігачі, які рухаються швидше швидкості світла у вакуумі. Вони припустили, що вони спостерігали б не тільки явища, які відбуваються спонтанно, без детермінованої причини, але й частинки, що подорожують одночасно кількома шляхами.
Крім того, фізики вважають, що і саме поняття часу було б іншим. Так, надсвітловий світ характеризувався б трьома часовими вимірами і одним – просторовим. При цьому, його потрібно було б описати знайомою мовою теорії поля. Виходить, що присутність надсвітлових спостерігачів, логічно, не суперечить науці. А, значить, надсвітлові об’єкти дійсно існують. Вчені вирішили це перевірити.
Автори виходять з концепції простору-часу, відповідного нашій фізичній реальності: з трьома просторовими вимірами і одним — тимчасовим виміром. Однак, з точки зору надсвітлового спостерігача, лише один вимір цього світу зберігає просторовий характер, те, по якому частинки можуть рухатися. Інші три – це вимірювання часу.
- Вчені виявили у небезпечних бактерій механізм захисту від антибіотиків
- «Парк юрського періоду» з точки зору науки
- Вчені дізналися, як стабільно низька зарплата пов’язана з передчасною смертю
З точки зору такого спостерігача частка «старіє» незалежно в кожному з трьох часів. Але для нас це виглядає як одночасний рух у всіх напрямках простору, тобто поширення квантово-механічної сферичної хвилі, пов’язаної з частинкою.
Уявлення художника про квантові хвилі. Фото: maxpixel.net
Це відповідає принципу Гюйгенса, сформульованому в XVIII столітті, згідно з яким кожна точка, що досягається хвилею, стає джерелом нової сферичної хвилі. Спочатку його застосовували лише до світлової хвилі, але квантова механіка поширила його на інші форми речовини.
У підсумку, включення в опис надсвітлових спостерігачів вимагає створення нового визначення швидкості і кінематики. Воно зберігає постулат Ейнштейна про сталість швидкості світла у вакуумі навіть для надсвітлових спостерігачів. Тому їх розширена спеціальна теорія відносності не здається такою вже “екстравагантною ідеєю”, – пояснюють вчені.
Як це змінює світ?
Після врахування надсвітлових рішень світ стає недетермінованим, а частинки рухаються відразу по безлічі траєкторій, відповідно до квантового принципу суперпозиції.
Згідно з принципом детермінованості, існує суворий однозначний зв’язок між величинами, що характеризують стан механічної системи в заданий момент часу, і значеннями цих величин в будь-який наступний (або попередній) момент часу. В рамках розширеної теорії відносності, нам світ не управляється законами детермінованості.
- Вперше змодельовано об’єднання органічних молекул в вакуумі і холоді космосу
- Вчені перевірили ефект Мпемби в незвичайних умовах
- Гени, пов’язані з вживанням алкоголю і тютюну, виявилися загальними для європейців, африканців і азіатів
У світі детермінізму кожна подія з необхідністю викликається попередньою, а також законами природи. Детермінізм глибоко пов’язаний з нашим розумінням фізичних наук і з уявленнями про свободу дій людини. Під жорсткою детермінованістю процесів розуміється однозначна зумовленість, тобто у кожного слідства є строго певна причина.
У підсумку, згідно з розширеною теорією відносності, наш світ стає непередбаченим. Найбільше ця концепція нагадує хаос. За теорією хаосу, поява будь-якої системи здається випадковим, навіть якщо модель, що описує її, є детермінованою.
Насправді для надсвітлового спостерігача частинка, яка живе за законами класичної механіки, перестає мати сенс, і поле стає єдиною величиною, яку можна використовувати для опису фізичного світу.
Уявлення художника про фракталі, який відображає четвертий вимір. Фото: maxpixel.net
До недавнього часу вважалося, що принципи, які складають саму основу квантової теорії, — фундаментальні. Однак уявний експеримент вчених показав: обгрунтування квантової теорії за допомогою розширеної теорії відносності можна узагальнити концепцією чотирьох вимірів (простір-час 1+3). Таке розширення пов’язує відносність з висновками, постульованими квантовою теорією поля.
Що в підсумку?
Таким чином, у розширеній спеціальній теорії відносності всі частинки, здається, мають надзвичайні властивості. Але чи працює це навпаки? Чи можемо ми знайти звичайні для надсвітлових спостерігачів частинки, ті, які рухаються щодо нас з надсвітловими швидкостями?
На жаль, це не так просто, пояснюють вчені. Експериментальне відкриття нової фундаментальної частинки – це вже подвиг. Однак вчені все ще сподіваються використати результати дослідження, щоб краще зрозуміти явища спонтанного порушення симетрії, пов’язаного з масою бозона Хіггса та інших частинок у стандартній моделі, особливо в ранньому Всесвіті.
Ключовим компонентом будь-якого механізму спонтанного порушення симетрії є тахіонне поле. Можливо, саме надсвітлові явища відіграють ключову роль у механізмі Хіггса (теорії, яка описує, як частинки-переносники слабкої взаємодії набувають маси).