三时间维，一空间维:超光速观察者在1+3时空的相对论

诸平

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据波兰华沙大学（University of Warsaw）2022年12月22日报道，三时间维，一空间维:超光速观察者在1+3时空的相对论（Three time dimensions, one space dimension: Relativity of superluminal observers in 1+3 spacetime）。

在真空中以超光速移动的观察者会如何看待我们的世界?这样的画面与我们每天遇到的画面明显不同。来自华沙大学和牛津大学（University of Oxford）的理论家认为:“我们不仅应该期待看到自发发生的现象，没有确定的原因，还应该期待粒子沿着多条路径同时运动。”

同时，时间的概念也将被彻底改变一个超光速世界（superluminal world）将被描述为三个时间维度和一个空间维度并且它将被描述为我们熟悉的场论语言。事实证明，这种超光速观察者的存在并没有导致任何逻辑上的不一致，而且，超光速物体很有可能真的存在。

在20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）完全重新定义了我们感知时间和空间的方式。三维空间获得了第四维时间，时间和空间的概念，到目前为止是分开的，开始被视为一个整体。来自华沙大学物理系（Faculty of Physics of the University of Warsaw）和新加坡国立大学量子技术中心（Center for Quantum Technologies of the National University of Singapore）的物理学家安德烈·德拉甘（Andrzej Dragan）教授解释说:“在阿尔伯特·爱因斯坦1905年提出的狭义相对论中，时间和空间的区别只是在一些方程中的符号上。”

爱因斯坦的狭义相对论建立在两个假设上:伽利略的相对性原理（Galileo's principle of relativity）和光速恒定（the constancy of the speed of light）。正如安德烈·德拉甘所说，第一个原理至关重要，它假设在每个惯性系统中，物理定律都是相同的，所有的惯性观察者都是平等的。安德烈·德拉甘说:“通常情况下，这一原则适用于以小于光速(c)的速度相对于彼此移动的观察者。然而，没有根本原因说明为什么相对于所描述的物理系统移动的观察者的速度大于光速不应该受到这一原则的约束。”

如果我们至少从理论上假设世界可以从超光速的参照系中观测到，会发生什么?这有可能将量子力学的基本原理纳入狭义相对论（special theory of relativity）。来自牛津大学的安德烈·德拉甘教授和阿图尔·埃克特（Artur Ekert）教授在两年前发表在《新物理学杂志》（New Journal of Physics）上的文章《量子相对论原理》（Quantum principle of relativity）中首次提出了这一革命性的假设。详见Andrzej Dragan, Artur Ekert. Quantum principle of relativity. New Journal of Physics, Published 24 March 2020, Volume 22, 033038. DOI 10.1088/1367-2630/ab76f7. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ab76f7

在此，他们考虑了一个由两个维度组成的时空中的两类观察者的简化情况:一个空间维度和一个时间维度。2022年12月20日在《经典与量子引力》（Classical and Quantum Gravity）杂志网站上最新发表的题为“1+3时空中的超光速观察者的相对论（Relativity of superluminal observers in 1+3 spacetime）”的文章中，一个由5名物理学家组成的小组更进一步，提出了关于完整的四维时空（four-dimensional spacetime）的结论。详见Andrzej Dragan, Kacper Dębski, Szymon Charzyński, Krzysztof Turzyński, Artur Ekert. Relativity of superluminal observers in 1+3 spacetime. Classical and Quantum Gravity, Accepted Manuscript online 20 December 2022. DOI: 10.1088/1361-6382/acad60. https://dx.doi.org/10.1088/1361-6382/acad60

作者从与我们的物理现实相对应的时空概念开始:有3个空间维度和一个时间维度。然而，从超光速观察者的角度来看，这个世界只有一个维度保留了空间特征，粒子可以沿着这个维度移动。

安德烈·德拉甘教授解释道：“其他3个维度是时间维度。从这样一个观察者的角度来看，粒子在3个时间维度中的每一个时间维度里都独立地‘衰老’。但从我们的角度来看，被照亮的面包食者看起来像是在空间的各个方向上同时运动，即与粒子相关的量子力学球形波的传播，”论文的合著者克里茨托夫·特齐斯基（Krzysztof Turzynski）教授评论道。

正如安德烈·德拉甘教授解释的那样，这是根据18世纪制定的惠更斯原理（Huygens' principle），根据这个原理，波到达的每一个点都成为一个新的球形波源。这一原理最初只适用于光波，但量子力学将这一原理扩展到所有其他形式的物质。

正如该出版物的作者所证明的那样，在描述中包含超光速观察者需要创建一个新的速度和运动学定义。该论文的作者证明:“这个新定义保留了爱因斯坦关于真空中光速恒定的假设，即使对超光速观察者也是如此。”安德烈·德拉甘补充说:“因此，我们扩展的狭义相对论似乎并不是一个特别奢侈的想法。”

我们引入超光速观察者对世界的描述会发生怎样的变化?在考虑了超光速解之后，世界变得不确定，粒子开始同时沿着多条轨迹运动，而不是一次一个，这与量子叠加原理（quantum principle of superposition）一致。

安德烈·德拉甘指出：“对于一个超光速的观察者来说，经典的牛顿点粒子不再有意义，场成为唯一可以用来描述物理世界的量。”“直到最近，人们普遍认为量子理论的基本假设是基本的，不能从任何更基本的东西推导出来。在这项工作中，我们证明了使用扩展相对论对量子理论的证明，可以自然地推广到1+3时空，这样的扩展导致了量子场论假设的结论，”该论文的作者写道。

因此，在广义狭义相对论中，所有的粒子似乎都具有非凡的性质。反过来也可以吗?我们能否探测到那些对于超光速观察者来说是正常的粒子，即相对于我们以超光速运动的粒子?

克里茨托夫·特齐斯基教授说：“事情没那么简单。仅仅是一种新的基本粒子的实验发现，就足以获得诺贝尔奖，而且在一个使用最新实验技术的大型研究团队中是可行的。然而，我们希望将我们的结果应用于更好地理解标准模型中与希格斯粒子（Higgs particle）和其他粒子质量相关的自发对称破缺（spontaneous symmetry breaking）现象，特别是在早期宇宙中。”

安德烈·德拉甘补充说，任何自发对称性破缺机制的关键成分都是超光速场。超光速现象似乎在希格斯机制（Higgs mechanism）中起着关键作用。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Does relativity lie at the source of quantum exoticism?

Abstract (New Journal of Physics, DOI 10.1088/1367-2630/ab76f7)

Quantum mechanics is an incredibly successful theory and yet the statistical nature of its predictions is hard to accept and has been the subject of numerous debates. The notion of inherent randomness, something that happens without any cause, goes against our rational understanding of reality. To add to the puzzle, randomness that appears in non-relativistic quantum theory tacitly respects relativity, for example, it makes instantaneous signaling impossible. Here, we argue that this is because the special theory of relativity can itself account for such a random behavior. We show that the full mathematical structure of the Lorentz transformation, the one which includes the superluminal part, implies the emergence of non-deterministic dynamics, together with complex probability amplitudes and multiple trajectories. This indicates that the connections between the two seemingly different theories are deeper and more subtle than previously thought.

Abstract（Classical and Quantum Gravity, DOI: 10.1088/1361-6382/acad60）

We develop an extension of special relativity in 1+3 dimensional spacetime to account for superluminal inertial observers and show that such an extension rules out the conventional dynamics of mechanical point-like particles and forces one to use field-theoretic framework. Therefore we show that field theory can be viewed as a direct consequence of extended special relativity.