科學家:當我們以超光速運動時,時間將有三個維度

我們恐怕很難想象擁有三個維度的時間。但是假如宇宙中存在能夠以超光速運動的星際旅行者,那麼在他們眼中卻很可能就是這樣。不僅如此,他們還會發現空間的維度只剩下了一個。

近日一些來自華沙大學和牛津大學的理論物理學家表示,假如我們能夠以超光速(superluminal)運動,那麼我們不但能看到一些沒有確定性原因的自發現象,還可以發現粒子會沿著多條路徑同步運動。

與此同時,我們還會發現時間的概念會發生徹底的改變。在一個超光速的世界里,時間將擁有三個維度,而空間卻只有一個。這個匪夷所思的現象可以用場理論加以解釋。雖然對于我們這些生活在常態中的人而言是如此怪異,但在以超光速運動的觀察者眼中,這一切卻又都是合乎邏輯的。更重要的是,超光速運動本身是合乎邏輯的,可能真實存在。

在上世紀早期,愛因斯坦徹底改變了人們對時間和空間的認識。此前人們一直認為,三個維度的空間和一個維度的時間是相互獨立的;但是自他以后,人們開始意識到時空實際上是一個整體。

愛因斯坦狹義相對論的基礎是伽利略相對性原理和光速恒定原理。在這里,相對性原理尤為重要。相對性原理認為,一切慣性系中的物理學定律都是相同的,且一切慣性觀察者的地位都是平等的。這一原理通常適用于以低于光速運動的觀察者身上。但在基本層面上,它并不排斥觀察者在物理系統中以超光速運動時的適用性。

那麼當觀察者在超光速運動的參考系中運動時,又會看到些什麼?一些科學家認為,在這種情況下,量子力學的基本原理有機會與狹義相對論相融合。

這個顛覆性的假說最早是在大約兩年前被提出的。當時研究人員考察了兩組觀察者在一個擁有一個時間維度和一個空間維度的簡化版時空中可能會遇見什麼樣的情況。而最近,五位物理學家以此為基礎,闡述了觀察者在四維時空中可能會看到的奇景。

研究人員認為,在以超光速運動的觀察者眼中,原本三個維度的空間將只剩下一個維度,即沿著粒子運動方向展開的維度。而這個四維時空中的另外三個維度,將全部讓度給時間。研究人員解釋說,在超光速旅行者眼中,粒子將在三個不同的時間維度上獨立演化。而在常態的我們眼中,它看起來就像是在空間的所有方向上作同步運動。

在量子力學中,這種情形可以用粒子的球形波來解釋。惠更斯原理認為,波所抵達的每一個點都可以成為新的波源。這一原理起初只適用于光波,但量子力學將其拓展到了所有形式的物質波中。

為了理解超光速觀察者看到了什麼,研究人員重新定義了速度和運動的概念。但他們表示即便如此,愛因斯坦關于真空光速恒定的假設也被保留了下來。因此他們對狹義相對論的擴展似乎并不是一個特別激進的想法。

具體而言,在超光速旅行者眼中,世界將展示其不確定的一面。基于量子力學中的疊加態原理,超光速旅行者眼中的粒子會同時沿著多條軌跡運動,而不是只有一條。

對于超光速觀察者而言,粒子將不再是點狀的,只有「場」才能對實體世界進行量化的描述。研究人員表示,人們普遍認為,量子理論的底層假設是最基本的,無法用更底層的東西進行推導。而新的研究結果表明,通過對相對性進行擴展而得到的量子論解釋力,可以自然地推廣至一維空間和三維時間統一體中,且這種擴展所獲的結論,與量子場論的假設相符。

在擴展的狹義相對論中,所有粒子都擁有了非凡的特性。但反過來是否也一樣?我們是否能夠探測到相對于超光速觀察者而言是「正常」的粒子?如果有這樣的粒子,那麼它必然是在以超光速相對于我們而運動。

這并不容易。但與發現新的基本粒子相比,研究者們也希望能夠理解質量的產生原理。質量的產生與希格斯子有關,而超光速現象看起來可能會在希格斯機制中扮演某種角色。


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