Ba chiều thời gian, một chiều không gian: Tương đối của các quan sát siêu sáng trong không thời gian 1+3

Thế giới của chúng ta có thể được thấy bằng những quan sát chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong một chân không như thế nào? Vì một bức tranh có thể khác biệt rõ ràng với những gì chúng ta gặp hằng ngày. “Chúng ta có thể chờ đợi thấy không chỉ một hiện tượng xảy ra một cách tự động, không xác định được nguyên nhân mà còn là các hạt di chuyển một cách đồng thời theo những hướng khác nhau”, các nhà lý thuyết ở các trường đại học ở Warsaw và Oxford lập luận.

Dẫu khái niệm thời gian có thể chuyển đổi hoàn toàn khác biệt – một thế giới siêu sáng có thể phải được đặc trưng hóa với ba chiều thời gian và một chiều không gian và có thể phải được miêu tả bằng ngôn ngữ của lý thuyết trường. Nó cho thấy sự hiện diện của nhiều quan sát siêu sáng không dẫn đến bất cứ mâu thuẫn về mặt logic, hơn nữa, hoàn toàn có thể có các vật thể siêu sáng thực sự tồn tại.

Vào đầu thế kỷ 20, Albert Einstein đã tái định nghĩa cách chúng ta nghĩ về không gian và thời gian. Không gian ba chiều cộng thêm chiều thứ tư – thời gian, và các khái niệm không thời gian, vốn bị chia tách, bắt đầu được coi như một thể thống nhất. “Trong thuyết tương đối do Albert Einstein khám phá vào năm 1905, thời gian và không gian chỉ khác nhau về dấu trong một số phương trình”, giáo sư Andrzej Dragan, nhà vật lý của Khoa Vật lý của trường đại học Warsaw và Trung tâm Các công nghệ lượng tử ở ĐHQG Singapore.

Einstein đặt cơ sở cho thuyết tương đối của mình trên hai giả thuyết: nguyên lý tương đối của Galileo và hằng số của tốc độ ánh sáng. Andrzej Dragan lập luận, nguyên lý đầu tiên là cốt lõi khi giả định từng hệ quán tính, các lực vật lý đều như nhau và mọi quan sát quán tính đều bình đẳng. “Cụ thể, nguyên lý này ứng dụng cho những quan sát đang chuyển động tương đối với vật thể khác tại tốc độ thấp hơn tốc độ ánh sáng (c). Tuy nhiên, không có nguyên nhân cơ bản nào giải thích tại sao các quan sát chuyển động tương đối với các hệ vật lý được miêu tả với các tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng phải không bị lệ thuộc vào nó”, Dragan nói.

Cái gì diễn ra khi chúng ta giả định – ít nhất về mặt lý thuyết – là thế giới này có thể được quan sát từ những khung tham chiếu siêu sáng? Đó là một cơ hội có thể cho phép sự tích hợp của các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử vào thuyết tương đối hẹp. Giả thuyết mang tính cách mạng của giáo sư Artur Ekert trường đại học Oxford được trình bày đầu tiên trong bài báo “Quantum principle of relativity” (Nguyên lý lượng tử của tương đối), xuất bản hai năm trước ở tạp chí New Journal of Physics.

Do đó, họ xem xét trường hợp rút gọn của cả hai quan sát tương tự trong một không – thời gian bao gồm hai chiều: một chiều không gian và một chiều không gian. Trong xuất bản mới nhất của tạp chí Classical and Quantum Gravity, với bài báo “Relativity of superluminal observers in 1 + 3 spacetime” (Tương đối của các quan sát siêu sáng trong không thời gian 1+3), một nhóm năm nhà vật lý còn tiến xa hơn, trình bày những kết luận về không thời gian bốn chiều đầy đủ ¹.

Các tác giả bắt đầu từ khái niệm sự phản hồi của không thời gian với thực tại vật lý của chúng ta: với ba chiều không gian và một chiều thời gian. Tuy nhiên từ góc nhìn của một quan sát siêu sáng, chỉ một chiều của thế giới chứa một đặc điểm không gian, cái duy nhất trong đó các hạt có thể di chuyển.

“Thứ khác ba chiều là những chiều thời gian”, giáo sư Andrzej Dragan nói. “Từ cái nhìn của một người quan sát, các tuổi của hạt độc lập với từng chiều trong ba chiều thời gian đó. Nhưng từ quan sát của chúng ta – những kẻ ăn bánh mì được chiếu sáng – nó giống như một chuyển động đồng thời trong tất cả các hướng không gian, ví dụ như sự lan rộng của sóng hình cầu cơ học lượng tử được liên kết với một hạt vậy”, giáo sư Krzysztof Turzyński, đồng tác giả bài báo, bình luận.

Đó là, như giải thích của giáo sư Andrzej Dragan, trong sự phù hợp với nguyên lý Huygens ở thế kỷ 18, theo đó mỗi điểm được chạm bởi sóng trở thành nguồn của một sóng hình cầu mới. Nguyên lý này ban đầu chỉ áp dụng cho sóng ánh sáng nhưng cho cơ học lượng tử mở rộng nó cho tất cả các hình thức khác của vật chất.

Khi các tác giả của công bố này chứng minh, sự bao gồm cả những người quan sát siêu sáng trong miêu tả đòi hỏi sự sáng tạo một định nghĩa mới về vận tốc và động học. “Định nghĩa mới này phải bảo toàn tiên đề về sự bất biến của tốc độ ánh sáng trong chân không của Einstein, ngay cả cho phía người quan sát siêu sáng”, họ viết. “Do đó, tương đối hẹp mở rộng của chúng tôi không phải là một ý tưởng ngông cuồng”, Dragan cho biết thêm.

Sự miêu tả thế giới mà trong đó chúng ta đưa các nguồn quan sát siêu sáng thay đổi như thế nào? Sau khi tính đến cả những giải pháp siêu sáng, thế giới trở thành không tất định, các hạt – thay vì là một hạt tại một thời gian – bắt đầu chuyển động dọc theo nhiều quỹ đạo trong cùng lúc theo nguyên lý chồng chập lượng tử.

“Với một quan sát siêu sáng, điểm hạt tuân theo quy luật Newton cổ điển không còn ý nghĩa, và trường trở thành đại lượng duy nhất có thể sử dụng để miêu tả thế giới vật lý này”, Andrzej Dragan lưu ý. “Cho đến hiện nay, nhìn chung nó được tin là tiên đề cho thuyết lượng tử đều là điều rất cơ bản và không thể có thứ gì cơ bản hơn thế. Trong công trình này, chúng tôi chứng tỏ là sự điều chỉnh lý thuyết lượng tử sử dụng tương đối mở rộng có thể tạo ra một cách tự nhiên không thời gian 1 + 3 và sự mở rộng dẫn đến các kết luận bởi thuyết trường lượng tử”, các nhà nghiên cứu viết.

Tất cả các hạt do đó dường như có những đặc tính kỳ lạ trong tương đối hẹp mở rộng. Nó sẽ vận hành theo cách khác không? Chúng ta có thể dò được những hạt thông thường bởi những nguồn siêu sáng, ví dụ như những hạt chuyển động tương đối với chúng ta tại tốc độ siêu sáng?

“Không hề đơn giản”, giáo sư Krzysztof Turzyński nói. “Khám phá thực nghiệm của một hạt cơ bản mới đáng giá bằng cả giải Nobel và đòi hỏi cả nhóm nghiên cứu lớn sử dụng những kỹ thuật tiên tiến. Tuy nhiên chúng tôi hi vọng sẽ áp dụng được các kết quả của chúng tôi để hiểu sâu sắc hơn hiện tượng đối xứng tự phát kết hợp với khối lượng hạt Higgs và các hạt khác trong Mô hình chuẩn, đặc biệt trong vũ trụ sớm”.

Andrzej Dragan cho biết thêm là thành phần quan trọng của bất cứ cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát nào cũng là một trường tachyon – một trường lượng tử có khối lượng tưởng tượng. Dường như hiện tượng siêu sáng có thể đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế Higgs.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-12-dimensions-space-dimension-superluminal-spacetime.html

https://www.eurekalert.org/news-releases/975238

————————————–

1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/acad60