Πώς θα έβλεπαν τον κόσμο μας παρατηρητές που θα κινούνταν ταχύτερα από το φως; Μια τέτοια εικόνα θα ήταν σαφώς διαφορετική από αυτή που συναντάμε καθημερινά. «Δεν θα παρατηρούσαμε μόνο φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν αυθόρμητα -χωρίς ντετερμινιστική αιτία- αλλά και σωματίδια που ταξιδεύουν ταυτόχρονα σε πολλαπλά μονοπάτια», υποστηρίζουν θεωρητικοί από τα πανεπιστήμια της Βαρσοβίας και της Οξφόρδης.
Η ίδια η έννοια του χρόνου, επίσης, θα μεταμορφωνόταν πλήρως – ένας υπερφωτεινός κόσμος θα έπρεπε να χαρακτηρίζεται από τρεις χρονικές διαστάσεις και μια χωρική διάσταση και θα έπρεπε να περιγραφεί στη οικεία γλώσσα της θεωρίας πεδίου. Απ’ ό,τι φαίνεται η παρουσία τέτοιων υπερφωτεινών παρατηρητών, δεν οδηγεί σε κάποια λογική ασυνέπεια· μάλιστα είναι πολύ πιθανό τέτοια υπερφωτεινά αντικείμενα να υπάρχουν πραγματικά.
Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Αϊνστάιν επαναπροσδιόρισε πλήρως τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τον χρόνο και τον χώρο. Ο τριδιάστατος χώρος απέκτησε μια τέταρτη διάσταση – τον χρόνο, και οι μέχρι τότε χωριστές έννοιες του χρόνου και του χώρου, άρχισαν να αντιμετωπίζονται ως σύνολο. «Στην ειδική θεωρία της σχετικότητας που διατυπώθηκε το 1905 από τον Αϊνστάιν, ο χρόνος και ο χώρος διαφέρουν μόνο ως προς το πρόσημο σε κάποιες από τις εξισώσεις», εξηγεί ο καθηγητής Andrzej Dragan, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας και στο “Center for Quantum Technologies” του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης.
Ο Αϊνστάιν στήριξε την ειδική θεωρία της σχετικότητας σε δύο υποθέσεις: την αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου και τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός. Όπως υποστηρίζει ο Andrzej Dragan, η πρώτη αρχή είναι κρίσιμη, θεωρώντας ότι οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι σε κάθε αδρανειακό σύστημα, και ότι όλοι οι αδρανειακές παρατηρητές είναι ισοδύναμοι. «Τυπικά, δεχόμαστε πως αυτό ισχύει για παρατηρητές που κινούνται με ταχύτητες μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, δεν υπάρχει κάποιος θεμελιώδης λόγος, βάσει του οποίου οι παρατηρητές που κινούνται με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός, σε σχέση με τα περιγραφόμενα φυσικά συστήματα, να μην υπόκεινται σε αυτήν», υποστηρίζει ο ίδιος.
Τι θα συνέβαινε εάν υποθέσουμε -θεωρητικά τουλάχιστον- ότι ο κόσμος θα μπορούσε να παρατηρηθεί από υπερφωτεινά πλαίσια αναφοράς; Είναι πιθανό, αυτό να επέτρεπε την ενσωμάτωση των βασικών αρχών της κβαντικής μηχανικής στην ειδική θεωρία της σχετικότητας. Η επαναστατική υπόθεση αυτή, του καθηγητή Andrzej Dragan και του καθηγητή Artur Ekert, από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, παρουσιάστηκε για πρώτη φορά πριν από δύο χρόνια στο άρθρο “Quantum principe of relativity” το οποίο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό “New Journal of Physics”.
Σε αυτό, εξέτασαν την απλοποιημένη περίπτωση, για αμφότερες τις οικογένειες των παρατηρητών, σε έναν χωροχρόνο που αποτελείται από δύο διαστάσεις: μία χωρική και μία χρονική. Στην τελευταία τους δημοσίευση στο περιοδικό “Classical and Quantum Gravity” με τίτλο “Relativity of superluminal observers in 1+3 spacetime”, η επιστημονική ομάδα -που απαρτίζεται από 5 φυσικούς- προχωρά ένα βήμα παραπέρα, παρουσιάζοντας συμπεράσματα σχετικά με τον πλήρη τετραδιάστατο χωρόχρονο.
Οι συγγραφείς ξεκινούν από την έννοια του χωροχρόνου που αντιστοιχεί στη φυσική μας πραγματικότητα: με τρεις χωρικές διαστάσεις και μία χρονική διάσταση. Ωστόσο, από τη σκοπιά του υπερφωτεινού παρατηρητή, χωρικό χαρακτήρα διατηρεί μία μόνο από τις διαστάσεις αυτού του κόσμου· αυτή κατά μήκος της οποίας μπορούν να κινηθούν τα σωματίδια.
«Οι άλλες τρεις είναι χρονικές διαστάσεις», εξηγεί ο Dragan. «Από τη σκοπιά ενός τέτοιου παρατηρητή, ένα σωματίδιο “γερνάει” χωριστά σε κάθε έναν από τους τρεις χρόνους. Όμως, από την δική μας οπτική, μοιάζει με μια ταυτόχρονη κίνηση σε όλες τις κατευθύνσεις του χώρου· με την διάδοση, δηλαδή, ενός κβαντικού σφαιρικού κύματος που σχετίζεται με ένα σωματίδιο», σχολιάζει ο συν-συγγραφέας της εργασίας καθηγητής Krzysztof Turzyński.
Βρίσκεται σε συμφωνία -εξηγεί ο Dragan- με την αρχή του Huygens που διατυπώθηκε τον 18ο αιώνα, βάσει της οποίας κάθε σημείο, στο οποίο φτάνει ένα κύμα, γίνεται πηγή ενός νέου σφαιρικού κύματος. Η αρχή αυτή εφαρμόστηκε αρχικά μόνο στα κύματα φωτός, η κβαντομηχανική όμως την επέκτεινε σε όλες τις μορφές ύλης.
Όπως αποδεικνύουν οι συγγραφείς της δημοσίευσης, η συμπερίληψη υπερφωτεινών παρατηρητών στην περιγραφή απαιτεί τη δημιουργία ενός νέου προσδιορισμού της ταχύτητας και της κινηματικής. «Αυτός ο νέος προσδιορισμός διατηρεί το αξίωμα του Αϊνστάιν για τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός στο κενό ακόμη και για υπερφωτεινούς παρατηρητές». «Ως εκ τούτου, η εκτεταμένη μας ειδική σχετικότητα δεν φαίνεται να αποτελεί ιδιαίτερα υπερβολική ιδέα», προσθέτει ο Dragan.
Πώς αλλάζει η περιγραφή του κόσμου, στον οποίο εισάγουμε τους υπερφωτεινούς παρατηρητές; Λαμβάνοντας υπόψη τις υπερφωτεινές λύσεις, ο κόσμος γίνεται μη ντετερμινιστικός, τα σωματίδια -αντί μίας κάθε φορά- αρχίζουν να κινούνται κατά μήκος πολλών τροχιών ταυτόχρονα, σύμφωνα με την κβαντική αρχή της υπέρθεσης.
«Για έναν υπερφωτεινό παρατηρητή, το κλασικό Νευτώνειο σημειακό σωματίδιο παύει να έχει νόημα, και το πεδίο καθίσταται η μόνη ποσότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει τον φυσικό κόσμο», σημειώνει ο Dragan. «Μέχρι πρόσφατα γενικά πιστευόταν ότι τα αξιώματα της κβαντικής θεωρίας είναι θεμελιώδη και πως δεν μπορούν να προκύψουν από κάτι πιο βασικό. Σε αυτή την εργασία δείξαμε ότι η αιτιολόγηση της κβαντικής θεωρίας με χρήση της εκτεταμένης σχετικότητας, μπορεί να γενικευτεί σε 1+3 χωροχρόνο, και μία τέτοια επέκταση οδηγεί σε συμπεράσματα που προβλέπονται από την κβαντική θεωρία πεδίου», γράφει η ομάδα στην δημοσίευση.
Όλα τα σωματίδια, συνεπώς, φαίνεται να διαθέτουν εξαιρετικές ιδιότητες στην εκτεταμένη ειδική σχετικότητα. Λειτουργεί αυτό αντίστροφα; Μπορούμε να ανιχνεύσουμε σωματίδια που να είναι φυσιολογικά για τους υπερφωτεινούς παρατηρητές· σωματίδια, δηλαδή, που κινούνται με υπερφωτεινές ταχύτητες σε σχέση με εμάς;
«Δεν είναι τόσο απλό», λέει ο Turzyński. «Η πειραματική ανακάλυψη ενός νέου θεμελιώδους σωματιδίου αποτελεί από μόνη της ένα κατόρθωμα που αξίζει βραβείο Νόμπελ και κάτι τέτοιο μπορεί να το πετύχει μόνο μια μεγάλη ερευνητική ομάδα που χρησιμοποιεί τις πιο πρόσφατες πειραματικές τεχνικές. Ωστόσο, ελπίζουμε να εφαρμόσουμε τα αποτελέσματά μας για μία καλύτερη κατανόηση του φαινομένου του “αυθόρμητου σπασίματος συμμετρίας”, που σχετίζεται με τη μάζα του σωματιδίου Higgs αλλά και άλλων σωματιδίων στο Καθιερωμένο Πρότυπο, ειδικά στο πρώιμο σύμπαν.»
Ο Andrzej Dragan προσθέτει ότι ένα ταχυονικό πεδίο αποτελεί το κρίσιμο συστατικό οποιουδήποτε μηχανισμού “αυθόρμητου σπασίματος συμμετρίας”. Φαίνεται ότι τα υπερφωτεινά φαινόμενα μπορεί να παίζουν βασικό ρόλο στον μηχανισμό Higgs.
Παραπομπές: Andrzej Dragan et al, Relativity of superluminal observers in 1+3 spacetime, Classical and Quantum Gravity (2022). DOI: 10.1088/1361-6382/acad60
Πηγή: https://phys.org/
