Три виміри часу. Фізики з’ясували, як виглядатиме Всесвіт, якщо перевищити швидкість світла
Наукпоп4 січня 2023, 07:02
Швидкість світла у вакуумі — це абсолютна одиниця вимірювання швидкості, що дорівнює 299 792 458 м/с. У масштабах Землі це грандіозна величина, але, наприклад, відстань від нашої планети до Сонця світло проходить більш як за вісім хвилин.
До головних відкриттів Альберта Ейнштейна фізики вважали, що у Всесвіті немає меж швидкості руху об'єктів. Та на початку XX століття Ейнштейн за допомогою відкриттів інших учених довів, що жоден об'єкт не може рухатися швидше за швидкість світла.
Сьогодні завдяки спеціальній теорії відносності (СТВ) відомо, що швидкість світла у вакуумі однакова у всіх системах координат, швидкість будь-якого сигналу неспроможна перевищувати швидкість світла, а досягти швидкості світла можуть лише безмасові частинки, зокрема фотони, з яких складається світло.
Незважаючи на це, вчені постійно намагаються спростувати постулати Ейнштейна, довівши, що в деяких моментах він не мав рації. Зрештою досягнення швидкості світла є однією з головних умов для міжзоряних подорожей, які дарують людству сподівання на виявлення позаземного життя.
Нещодавно фізики з кількох університетів опублікували результати дослідження, що буквально кидає виклик СТВ Ейнштейна. Науковці надали нові аргументи на користь того, що швидкість світла можна перевищити, не порушуючи при цьому основних законів фізики.
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Три виміри часу та один простір
Саме так називається дослідження, опубліковане 30 грудня 2022 року. На відміну від єдиного ейнштейнівського простору-часу, вчені припустили, що при перетині межі швидкості світла виникає два додаткові виміри часу.
«Ми маємо очікувати побачити не тільки явища, які відбуваються спонтанно, без певної причини, але й частинки, що подорожують водночас безліччю шляхів», — заявили автори роботи з Варшавського та Оксфордського університетів, а також Центру квантових технологій Національного університету Сінгапуру.
Як відомо, основу СТВ Ейнштейна становить принцип відносності Галілея. Цей принцип передбачає, що закони механіки однакові в усіх інерційних системах відліку. Інакше кажучи, закони фізики постійні для всіх спостерігачів, які рухаються один стосовно одного зі швидкостями, меншими за швидкість світла.
Однак, за словами провідного автора дослідження професора Анджея Драгана, «нема фундаментальної причини, через яку спостерігачі, які рухаються щодо згаданих фізичних систем зі швидкостями, більшими за швидкість світла, не повинні піддаватися цьому».
Команда Драгана змоделювала ситуацію, в якій спостерігач спочатку існує у «надсвітловій» системі відліку.
Фізики вважають, що коли у класичному чотиривимірному «досвітловому» просторі-часі існує три виміри простору та один вимір часу, у надсвітловій системі все буде навпаки. Тобто так званий надсвітловий спостерігач існуватиме в одному просторовому вимірі та одразу у трьох часових вимірах.
«З погляду такого спостерігача частка „старіє“ незалежно від кожного із трьох вимірів часу. Але, на наш погляд, це виглядає як одночасний рух у всіх напрямках простору, тобто це квантово-механічна сферична хвиля, пов’язана з частинкою, що рухається», — пояснює співавтор статті професор Кшиштоф Туржинскі.
Туржинскі мав на увазі основний постулат хвильової теорії світла, також відомий як принцип Гюйгенса — Френеля. Відповідно до цього принципу будь-яка точка простору, якої досягла хвиля, є джерелом вторинних хвиль, що розповсюджуються в усіх напрямках.
Спочатку цей принцип застосовувався лише до світлової хвилі, але з розвитком квантової механіки хвильова теорія поширилася попри всі інші форми матерії.
Вчені вважають, що включення до СТВ надсвітлових спостерігачів потребує створення нового визначення швидкості та кінематики. «Нове визначення зберігає постулат Ейнштейна про сталість швидкості світла у вакуумі навіть для надсвітлових спостерігачів. Тому наша розширена спеціальна теорія відносності не видається особливою екстравагантною ідеєю», — заявив Драган.
Поки що ключовим висновком роботи є те, що за потенційного досягнення надсвітлових швидкостей частинки можуть почати рухатися безліччю траєкторій водночас. Експериментальне відкриття частинок із такими незвичайними характеристиками дозволило б довести припущення фізиків.
Переписуємо Ейнштейна?
Раніше інші фізики засумнівалися в точності не тільки СТВ, а й загальної теорії відносності Ейнштейна (ЗТВ): група вчених із Великої Британії та Канади заявила, що ейнштейнівська гравітація може працювати по-іншому в макромасштабах, і що ЗТВ, ймовірно, доведеться коригувати.
Фізики перевірили ключові постулати ЗТВ в макромасштабах з використанням даних розширення Всесвіту, впливу гравітації на світ та впливу гравітації на матерію.
Ці параметри були визначені за допомогою інструментів аналізу реліктового випромінювання супутника Planck, каталогів наднових зірок, а також спостереження за формою та розподілом галактик віддалених наземними телескопами багатоспектральних зображень.
Отримані дані не відповідали так званій моделі лямбда-холодної темної матерії (LCDM), яка відображає розрахунки Ейнштейна.
Згідно з цією моделлю в космосі міститься 70% темної енергії (енергії вакууму), 25% темної матерії (матерія, яка не бере участі в електромагнітній взаємодії) і 5% звичайної матерії. Темна матерія та темна енергія впливають на швидкість розширення Всесвіту або сталу Хаббла.
Сьогодні ця стала Хаббла є каменем спотикання більшості астрофізиків, оскільки різні методи її вимірювання показують досить великі похибки.
«Наше дослідження також показало, що дуже складно вирішити проблему сталої Хаббла, лише змінивши теорію гравітації. Повне рішення, ймовірно, вимагає наявності нового компонента космологічної моделі, що існував до того часу, коли протони та електрони вперше об'єдналися у водень одразу після Великого вибуху. Цим компонентом може бути особлива форма темної матерії або первинні магнітні поля», — заявили науковці.