Сто лет специальная теория относительности Эйнштейна держала одну границу нерушимой: скорость света — это предел, который ни один наблюдатель не может пересечь. Варшавские физики Анджей Драган и Кшиштоф Тужиньский предлагают эту границу не отменять, но перестать считать её абсолютным запретом.
В работе, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity, исследователи заново проанализировали математический аппарат специальной теории относительности. Оказалось, что уравнения содержат в себе две ветви решений. Первая описывает наблюдателей, движущихся медленнее света. Вторая — тех, кто движется быстрее света. Вторую ветвь физики на протяжении столетия отбрасывали как лишённую физического смысла. Драган и Тужиньский предлагают оставить её. И пересмотреть всё, что за этим последует.
Главное изменение касается самого понятия частицы. В классической картине частица движется по одной единственной траектории. Если в теорию добавить сверхсветовых наблюдателей, эта картина разрушается. Частица вынуждена распространяться сразу по множеству путей одновременно — именно так, как это описывает квантовая механика. Авторы утверждают: квантовое поведение, которое столетие выглядело как странный набор дополнительных правил, может оказаться прямым следствием того, что мы исключили сверхсветовых наблюдателей из теории.
На пространственно-временных диаграммах этот эффект выглядит драматично. Процесс, который в одной системе отсчёта выглядит как движение фотона от источника к зеркалу и затем к детектору, в экстремальной сверхсветовой системе отсчёта превращается в движение по двум путям одновременно. Как только оба класса наблюдателей — и досветовые, и сверхсветовые — признаются равноправными, классическое представление о единственной чёткой траектории частицы становится невозможным.
Главное возражение против сверхсветового движения всегда было связано с причинностью. Если что-то может двигаться быстрее света, может ли оно прибыть в точку назначения раньше, чем было отправлено? Это ведёт к парадоксам. Авторы не отрицают проблему. Они утверждают, что она вынуждает изменить само описание причинно-следственных связей. Если сверхсветовые процессы существуют, то никакого релятивистского, локального, детерминистического их описания быть не может. Наблюдатель не способен, используя только информацию из ближайшей окрестности, предсказать точно, когда произойдёт такое событие.
Эта неопределённость не остаётся внутри гипотетического мира тахионов — гипотетических частиц, движущихся быстрее света. Переключаясь между системами отсчёта, та же проблема проникает в мир обычных частиц. Распад, который в одной системе выглядит локальным и классическим, в другой системе отображается на сверхсветовой процесс. Чтобы сохранить принцип относительности, авторы приходят к выводу: детерминистические локальные описания должны уступить место вероятностным. Случайность квантовой теории становится не отдельным постулатом, а следствием расширенного принципа относительности.
Та же логика применима к квантовым амплитудам вероятности — одной из фундаментальных составляющих квантовой механики. Авторы исследуют, какая релятивистски инвариантная величина могла бы описывать движение частицы между двумя точками, когда возможны множественные пути. Налагая требования симметрии и вероятностной интерпретации, они приходят к комплексным амплитудам вероятности — тем самым, которые хорошо знакомы физикам. В их трактовке эти амплитуды не являются произвольным математическим приёмом. Это то, что остаётся от описания движения по множеству путей, когда мы требуем, чтобы это описание было релятивистски инвариантным.
Самый неожиданный вывод работы касается структуры нашего мира. В полном четырёхмерном пространстве-времени — с одним временным измерением и тремя пространственными — симметрия между досветовыми и сверхсветовыми наблюдателями больше не действует так же чисто, как в упрощённой двумерной модели. Сверхсветовые наблюдатели становятся физически различимыми. В предлагаемой интерпретации то, что мы называем пространством-временем, меняет характер. Три измерения ведут себя как временные. Остаётся лишь одно пространственное.
Это означает, что сверхсветовая система отсчёта — это не просто более быстрая версия нашей. Это принципиально иной способ организации реальности. Исследователи полагают, что эта особенность может объяснить, почему волны распространяются именно так, как распространяются, и почему материя ведёт себя квантовым образом.
Работа также указывает на механизм Хиггса — процесс, лежащий в основе того, как элементарные частицы приобретают массу в Стандартной модели. Драган ранее утверждал, что тахионное поле, связанное со сверхсветовыми частицами, находится в центре спонтанного нарушения симметрии. Если это так, то сверхсветовые процессы могут быть не экзотическим дополнением к физике, а её скрытой основой.
Авторы не заявляют об экспериментальном обнаружении сверхсветовых частиц или наблюдателей. Работа остаётся в области теории. Но она бьёт в глубокую трещину современной физики: почему относительность и квантовая механика — обе блестяще подтверждённые экспериментально — до сих пор существуют как два языка, описывающие одну реальность, но не желающие сливаться в один. Больше века сверхсветовое движение считалось признаком того, что в расчётах что-то пошло не так. Драган и Тужиньский переворачивают этот инстинкт. Проблема, предполагают они, возникает не от того, что сверхсветовые решения сохраняют, а от того, что их отбрасывают слишком поспешно.
Вопрос, который остаётся без ответа: если мы живём в мире, где три измерения могут быть временными, почему мы воспринимаем только одно? И не означает ли это, что наше ощущение времени — не фундаментальное свойство реальности, а лишь следствие того, с какой скоростью мы внутри неё движемся?
