Отвъд скоростта на светлината времето става триизмерно: как хипотезата за многоизмерното време разрешава конфликта между Айнщайн и квантовата физика

Скоростта на светлината в съвременната физика играе ролята на своеобразен цензор. Тя разделя реалността на наблюдаема, в която важат строгите закони на причинността и класическата механика, и „забранена“ – свръхсветлинната реалност, която се смята за област на математическите сингулярности и времевите парадокси. Тази бариера обаче може да се окаже изкуствена.

Група теоретични физици от университетите във Варшава и Оксфорд представиха хипотеза, която би могла да премахне вековната пропаст между теорията на Айнщайн и квантовата механика. Техните изчисления показват, че: ако приемем съществуването на свръхсветлинни референтни рамки, класическата физика не се разрушава. Тя неизбежно се трансформира в полева, вероятностна структура. Това, което досега смятахме за тайнствени свойства на квантовия свят, се оказва пряко следствие от геометрията на пространство-времето, ако го разглеждаме без ограниченията на скоростта.

Фундаменталната симетрия и ограничението на скоростта

Класическата интерпретация на Специалната теория на относителността (СТО) се основава на постулата за постоянството на скоростта на светлината (c) и причинността. Смята се, че движение по-бързо от светлината е невъзможно, тъй като води до нарушаване на причинността (следствието може да изпревари причината). Пространството-времето в този модел е разделено на две обособени области: предсветлинна, където съществуват обикновените частици, и свръхсветлинна, която обикновено се отхвърля като нефизична.

Авторите на статията разглеждат принципа на относителност на Галилей – твърдението, че законите на физиката са еднакви във всички инерциални отправни системи – като абсолютно, без да правят изключение за свръхсветлинните скорости. Тяхната цел е да създадат математически строг модел, който описва как изглежда Вселената от гледна точка на наблюдател, движещ се по-бързо от светлината, и как тези наблюдения се отнасят към нашите.

Основен инструмент тук стават трансформациите на Лоренц. В стандартната физика, когато скоростта v > c, под корена във формулите се появява отрицателно число, което прави резултата въображаем и физически безсмислен в рамките на класическата парадигма. Изследователите обаче показват, че в пространство-времето с измерение 1+3 (едно времево измерение и три пространствени измерения) тези трансформации имат реално физическо значение, ако промяната в геометрията на пространството се интерпретира правилно.

Инверсия на метриката: пространството се превръща във време

Основният извод от кинематичната част на статията е, че при преминаването на светлинната бариера се наблюдава инверсия на метричната сигнатура.

В познатата ни (досветлинна) референтна рамка едно събитие се характеризира с три пространствени координати (x, y, z) и една времева координата (t). Но за свръхсветлинния наблюдател, според получените уравнения, структурата на реалността е обърната. Това, което наричаме пространствени измерения, за него придобива свойствата на време. И нашето времево измерение за него става пространствено.

Следователно свръхсветлинният наблюдател съществува в свят с размерност 3+1: три времеви измерения и едно пространствено. Това е математическо изискване за постоянството на скоростта на светлината в новата координатна система. Светлинният конус, границата, която определя причинността на събитията, се запазва, но се разгръща по различен начин в пространство-времето.

Именно наличието на няколко времеви измерения в референтната рамка на свръхсветлинния наблюдател води до разпадането на класическата механика и раждането на квантовата механика.

От детерминизма към полето

В класическата механика основното понятие е точковата частица. Тя се движи по определена траектория – световната линия. Във всеки момент от времето частицата се намира в определена точка от пространството.

В отправна система с три измерения на времето обаче понятието за точкова частица губи физическото си значение. Ако един обект се движи в триизмерно време, той не може да бъде локализиран в една точка от пространството, с което сме свикнали.

Авторите демонстрират математически, че обект, който е точкова частица за свръхсветлинен наблюдател, за нас (предсветлинните наблюдатели) неизбежно се възприема като структура, разпределена в пространството. Не можем да го фиксираме в конкретна координата, тъй като той се развива едновременно по няколко времеви посоки на света, ортогонални на нас.

По този начин се наблюдава промяна на парадигмата при описанието на материята. Вместо с дискретни частици с ясни траектории, физиката трябва да оперира с полета – непрекъснати величини, дефинирани в цялото пространство. Това е важен момент: полевата природа на материята не е постулирана отвън, а е изведена от геометрията.

Модификация на принципа на най-малкото действие

Доказателството на работата е ревизия на принципа на най-малкото действие. В класическата физика движението на всяка система се определя по такъв начин, че да се минимизира величината, наречена „действие“. Обикновено действието се изчислява като интеграл по една единствена линия – траекторията на една частица във времето.

Но тъй като за свръхсветлинния наблюдател времето е триизмерно, интегрирането по една линия става математически невъзможно. Необходимо е да се интегрира в обема на триизмерното време. Когато преведем този интеграл обратно на езика на нашата предсветлинна отправна система, получаваме математически израз, който описва не механиката на една частица, а динамиката на полето.

Уравненията за движение, изведени от авторите от този разширен принцип на действие, съвпадат с уравненията на теорията на полето. Това, което изглеждаше като движение на материална точка в свръхсветлинна система, се проявява като разпространение на вълни в нашата система.

Полевата природа на материята (основата на квантовата физика) е пряко следствие от геометрията на пространство-времето на Минковски, ако не налагаме изкуствени ограничения върху скоростта на наблюдателя.

Квантовата неопределеност като релативистичен ефект

Един от най-контраинтуитивните аспекти на квантовата механика е принципът на суперпозицията – способността на една частица да се движи по всички възможни траектории едновременно. В квантовата физика това се описва чрез интеграла по траекториите на Ричард Файнман.

В предложената теория това явление получава чисто геометрично обяснение. Тъй като в свръхсветлинната референтна рамка има три измерения на времето, еволюцията на системата не се ограничава до една линейна последователност от събития „минало – бъдеще“. Процесът, който за нас изглежда като едновременно съществуване на частица в различни състояния, е проекция на сложно многоизмерно времево движение върху нашето едноизмерно време.

Детерминизмът изчезва не защото природата е случайна на фундаментално ниво, а защото наблюдаваме само отрязък от една по-сложна геометрична структура. Пълната информация за системата е разпределена по измерения, които възприемаме като пространствени, но които се държат като времеви за свръхсветлинната част от реалността.

Проверка на електродинамиката на Максуел

Всяка нова теоретична конструкция трябва да е съвместима с вече доказаните закони на физиката. Изследователите проверяват своя подход върху уравненията на Максуел, които са в основата на класическата електродинамика.

При прилагане на „свръхсветлинната трансформация“ към електромагнитното поле уравненията запазват ковариацията си, т.е. формата на запис. Физическото значение на компонентите обаче се променя. Електрическото поле в една отправна система се трансформира в магнитно поле в друга и обратно, като общата структура на взаимодействията се запазва. Това доказва, че теорията не противоречи на класическата електродинамика.

Освен това теорията обяснява по естествен начин явлението античастици. В съвременния стандартен модел античастицата е математически еквивалентна на частица, която се движи назад във времето. В модела на Драган-Екерт това престава да бъде само удобно математическо средство. Тъй като съществуват множество измерения на времето, движението „срещу“ една от осите на времето става допустимо кинематично състояние. Това, което наблюдателят със свръхсветлинна скорост вижда като обикновена частица, ние можем да възприемем като античастица поради разликите в ориентацията на векторите на времето.

Значение за физиката

Работата на Драган, Екерт и техните колеги предполага промяна на вектора в търсенето на „нова физика“. Вместо да усложняват квантовата теория, за да включат гравитацията, те предлагат да се преразгледат основите на теорията на относителността.

Заключенията им могат да бъдат обобщени в три точки:

1. Причинността се запазва, но самото определение на причинността трябва да се разшири, за да се вземе предвид многоизмерността на времето в различни отправни рамки. Светлинната бариера не е абсолютна стена, а по-скоро хоризонт на събитията за различните класове наблюдатели.
2. Количественото определяне на полетата възниква автоматично. Тя не изисква въвеждането на постулати специално за този случай. Полевата структура на материята се появява при изискването за пълна Лоренцова инвариантност на теорията, включително свръхсветлинни скорости.
3. Единство на физиката. Разделението на класическата (детерминистична) и квантовата (вероятностна) физика е изкуствено. Това е една и съща теория, видима от различни кинематични режими.

Ако тази хипотеза се потвърди от по-нататъшни изследвания, тя ще реши един от основните проблеми на физиката: проблема с тълкуването на квантовата механика. Странностите на квантовия свят ще престанат да бъдат необясними свойства на материята и ще се превърнат в разбираеми последствия от относителността на наблюдението в четириизмерното пространство-време. Така квантовата теория на полето се оказва не външно допълнение към теорията на Айнщайн, а нейна най-дълбока, скрита част.