Является ли Теория Относительности источником квантовой экзотики?

С самого начала квантовая механика не переставала удивлять нас своими особенностями, столь сложными для понимания. Почему одна частица проходит через две щели одновременно? Почему вместо конкретных предсказаний мы можем говорить только об эволюции вероятностей? По мнению теоретиков из университетов в Варшаве и Оксфорде, наиболее важные черты квантового мира могут быть результатом специальной теории относительности, которая до сих пор, казалось, имела мало общего с квантовой механикой.

С момента появления квантовой механики и теории относительности физики потеряли сон из-за несовместимости этих трех пониманий (три, поскольку существуют две теории относительности: специальная и общая). Общепринято, что именно описание квантовой механики является более фундаментальным и что теория относительности должна быть приспособлена к нему. Доктор Анджей Драган (Andrzej Dragan) из факультета Физики Варшавского университета (University of Warsaw, FUW) и профессор Артур Экерт (Artur Ekert) из Оксфордского университета (University of Oxford, UO) только что представили свои аргументы, приводящие к другому выводу. В исследовании «Квантовый принцип относительности», опубликованном в New Journal of Physics, они обосновывают, что специфика квантовой механики, определяющие ее уникальность и ее неинтуитивную экзотику - принятые, более того, на вере (как аксиомы) - могут объясняться в рамках специальной теории относительности. Нужно только определиться с неким неортодоксальным шагом.

Альберт Эйнштейн построил свою специальную теорию относительности (СТО), опираясь на два постулата. Первый известен как принцип относительности Галилея (который, пожалуйста, обратите внимание, является частным случаем принципа Коперника). Это говорит о том, что физика одинакова во всех инерциальных системах (то есть, в покое или в движении по прямой). Второй постулат, был сформулирован на основе выовдов знаменитого эксперимента Майкельсона-Морли, и он вводил необходимость считать постоянной скорост света в каждой системе отсчета.

«Эйнштейн считал второй постулат критическим. В действительности ключевым является принцип относительности. Еще в 1910 году Владимир Игнатовский доказал, что на основе только этого принципа можно воссоздать все релятивистские явления специальной теории относительности. поразительно простое рассуждение, ведущее непосредственно от принципа относительности к релятивизму, было также представлено в 1992 году профессором Анджеем Шимачей из нашего факультета», - говорит доктор Драган.

Специальная теория относительности представляет собой связанную структуру, которая допускает три математически правильных типа решений: мир с частицами, движущимися с досветовыми скоростями, мир с частицами, движущимися со скоростью света, и мир с частицами, движущимися со сверхсветовыми скоростями. Этот третий вариант постоянно отбрасывался как не имеющий ничего общего с реальностью.

«Мы задались вопросом: что случится, если - пока не вдаваясь в соответствие или несоответствие физическим решениям - мы всерьез воспримем не только часть специальной теории относительности, а всю ее, вместе со сверхсветовой системой? Мы ожидали парадоксов причинно-следственного характера. Однако, мы обнаружили именно те эффекты, которые формируют самое глубокое ядро квантовой механики», - говорят д-р Драган и профессор Экерт.

Поначалу оба исследователя рассматривали упрощенный случай: пространство-время во всех трех семействах решений, но содержащее только одно пространственное и одно временное измерение (1 + 1). Частица, находящаяся в состоянии покоя в одной системе решений, оказывается движущейся быстрее света в другой, что означает, что само понятие «сверхсветовой скорости» относительно.

В пространственно-временном континууме, составленном подобным образом, недетерминированные события происходят естественным образом. Если в точке A одной системы возникает сверхсветовая частица, даже при полной предсказуемости излучения ее в сторону точки B, в которой просто нет информации об источнике ее излучения, то с точки зрения наблюдателя из второй системы все события реализуются из точки B в точку A, поэтому любое возникающее событие полностью непредсказуемо. Оказывается, что аналогичные эффекты проявляются и в случае эмиссии досветовых частиц.

Оба теоретика также показали, что после учета сверхсветовых решений движение частицы по нескольким траекториям одновременно появляется естественным образом, и для описания хода событий необходимо ввести сумму комбинированных амплитуд вероятностей, которые указывают на существование суперпозиции состояний, феномен, до сих пор связанный только с квантовой механикой.

В случае пространства-времени с тремя пространственными измерениями и одним временным измерением (3 + 1), что соответствует нашей физической реальности, ситуация становится более сложной. Принцип относительности в его изначальном виде не сохраняется - досветовая и сверхсветовая системы различаются. Тем не менее, исследователи обратили внимание на тот момент, что когда принцип относительности изменяется по форме: «Способность описать событие локальным и детерминированным способом не должна зависеть от выбора инерциальной системы отсчета», иначе это ограничивает область решений только теми, для которых правильными остаются только итоги рассмотрения пространства-времени (1 + 1).

«Между прочим, мы заметили возможность интересной интерпретации роли отдельных измерений. В системе, которая выглядит для наблюдателя сверхсветовой, некоторые пространственно-временные измерения, похоже, меняют свои физические роли. Только одно измерение сверхсветового излучения имеет пространственный характер - то, по которому движется частица. Другие три измерения являются временными измерениями», - говорит доктор Драган.

Характерной особенностью пространственных измерений является то, что частица может двигаться в любом направлении или оставаться в покое, тогда как во временном измерении она всегда распространяется в одном направлении (то, что мы называем старением на языке повседневности). Таким образом, сверхсветовая система с одним пространственным измерением и тремя измерениями времени (1 + 3), будет означать, что частицы неизбежно стареют в трех временах одновременно. Процесс старения частицы в сверхсветовой системе (1 + 3), наблюдаемый из субсветовой системы (3 + 1), будет выглядеть так, как будто частица движется как сферическая волна, приводя к известному принципу Гюйгенса (каждая точка на волновом фронте может рассматриваться как источник новой сферической волны) и корпускулярно-волновому дуализму.

«Вся неопределенность, возникающая при рассмотрении решений относительно системы, которая выглядит сверхсветовой, оказывается не более неопределенной, чем то, о чем давно говорит общепринятая и экспериментально подтвержденная квантовая теория. Наоборот, если взять за основу сверхсветовую систему, то возможно - по крайней мере теоретически – получить некоторые постулаты квантовой механики как производные из специальной теории относительности, которые обычно принимались как не вытекающие из других, более фундаментальных причин», - заключает доктор Драган.

В течение почти ста лет квантовая механика разрабатывала более глубокую теорию, чтобы объяснить природу своих загадочных явлений. Если рассуждения, представленные физиками из FUW и UO, выдержат испытание временем, история жестоко посмеется над большинством физиков. Окажется, что «неизвестная» теория, которую искали десятилетия и объясняющая уникальность квантовой механики, была известна уже с самой первой работы по квантовой теории.