Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Многомерное время в физике — Википедия

Многомерное время в физике

Специальная теория относительности (СТО) описывает пространство-время в виде псевдориманова многообразия с одним отрицательным собственным значением метрического тензора, которое соответствует «временноподобному» направлению. Метрика с несколькими отрицательными собственными значениями будет соответственно подразумевать наличие нескольких временных направлений, то есть время будет многомерным, но в настоящее время нет консенсуса насчёт связи этих дополнительных «времён» с временем в обычном понимании.

Свойства S+T-мерного пространства-времени по Максу Тегмарку

Гипотезы многомерного времени выдвигались в физике двояко: как возможное теоретическое описание реальности или как любопытная возможность, вероятно, не имеющая отношения к известной природе. Например, Ицхак Барс опубликовал работу «Физика двухмерного времени»[1], основанную на симметрии SO(10, 2) расширенной структуры суперсимметрии М-теории, являющийся самой современной и систематизированной разновидностью данной теории (см. также F-теория  (англ.) (рус.).

Если специальная теория относительности может быть обобщена на случай k-мерного времени ( t 1 , t 2 , . . . , t k ) и n-мерного пространства ( x k + 1 , x k + 2 , . . . , x k + n ) , тогда (k + n)-размерный интервал, будучи инвариантным, даёт выражение ( d s k , n ) 2 = ( c d t 1 ) 2 + + ( c d t k ) 2 ( d x k + 1 ) 2 ( d x k + n ) 2 . Сигнатура метрики тогда будет выглядеть следующим образом:

( + , , + k , , , n )  — временно-подобное правило знаков  (англ.) (рус.,

или

( , , k , + , , + n )  — пространственно-подобное правило знаков  (англ.) (рус..

Преобразования между двумя инерциальными системами отсчёта K и K′, которые находятся в стандартной конфигурации (например, преобразование без перевода и/или вращения оси пространства в гиперплоскости пространства и/или поворотов оси времени в гиперплоскости времени) выглядят следующим образом[2]:

t σ = θ = 1 k ( δ σ θ t θ + c 2 v σ v θ β 2 ( ζ 1 ) t θ ) 1 v σ β 2 ζ x k + 1 ,
x k + 1 = c 2 β 2 ζ θ = 1 k t θ v θ + ζ x k + 1 ,
x λ = x λ ,

где v 1 = ( v 1 , 0 , , 0 n 1 ) , v 2 = ( v 2 , 0 , , 0 n 1 ) , v k = ( v k , 0 , , 0 n 1 ) являются векторами скоростей K′ против K, определяют соответственно в зависимости от размеров времени t1, t2, …, tk; β = 1 μ = 1 k c 2 v μ 2 ; ζ = 1 1 β 2 ; σ = 1, 2, …, k; λ = k + 2, k + 3, …, k + n. Здесь δ σ θ является символом Кронекера. Эти преобразования являются обобщением преобразования Лоренца в фиксированном пространственном направлении (xk+1) в области многомерного времени и многомерного пространства.

Причинно-следственная структура пространства-времени с двумя временными измерениями и пространством одной размерности

Обозначим: d x η d t σ = V σ η , и d x η d t σ = V σ η , где σ = 1, 2, …, k; η = k + 1, k + 2, …, k + n. Сложение скоростей затем даст

V σ ( k + 1 ) = V σ ( k + 1 ) ζ ( 1 β 2 θ = 1 k c 2 v θ V θ ( k + 1 ) ) 1 + V σ ( k + 1 ) v σ β 2 ( ( ζ 1 ) θ = 1 k c 2 v θ V θ ( k + 1 ) ζ ) ,
V σ λ = V σ λ 1 + V σ ( k + 1 ) v σ β 2 ( ( ζ 1 ) θ = 1 k c 2 v θ V θ ( k + 1 ) ζ ) ,

где σ = 1, 2, …, k; λ = k + 2, k + 3, …, k + n.

Для простоты рассмотрим только одну пространственную размерность x3 и две временные размерности x1 и x2 (то есть, x1 = ct1, x2 = ct2, x3 = x). Предположим, что в точке O, имеющей координаты x1 = 0, x2 = 0, x3 = 0, имело место событие E. Предположим далее, что с момента события E прошёл интервал времени Δ T = ( Δ t 1 ) 2 + ( Δ t 2 ) 2 0 . Причинно-следственная область, связанная с событием E, включает в себя боковую поверхность прямого кругового конуса {(x1)2 + (x2)2 − (x3)2 = 0}, боковую поверхность прямого кругового цилиндра {(x1)2 + (x2)2 = c2ΔT2} и внутреннюю область, ограниченную этими поверхностями, то есть причинно-следственная область включает в себя все точки (x1, x2, x3), для которых условия

( x 1 ) 2 + ( x 2 ) 2 ( x 3 ) 2 = 0  и  | x 3 | c Δ T или
( x 1 ) 2 + ( x 2 ) 2 = c 2 Δ T 2  и  | x 3 | c Δ T или
( x 1 ) 2 + ( x 2 ) 2 ( x 3 ) 2 > 0  и  ( x 1 ) 2 + ( x 2 ) 2 < c 2 Δ T 2

являются выполненными[2].

Тем не менее, сигнатуры (1, 3) и (3, 1) физически эквивалентны, так как положительная длина вектора в пространстве Минковского для временноподобных интервалов — это условность, зависящая от договорённости о знаке метрического тензора[3]. Так, некоторые физики как правило используют метрику с сигнатурой (+−−−), что приводит к положительной «длине» Минковского для времениподобных интервалов и энергии, в то время как пространственное расстояние будет иметь отрицательную «длину» Минковского. Релятивисты, однако, как правило придерживаются противоположной конвенции (−+++), что даёт для пространственного расстояния положительную «длину» Минковского[источник не указан 3005 дней].

Все вселенные многомерного времени можно рассматривать в качестве фридмонов[4].

Связь с антропным принципомПравить

В качестве доказательства трёхмерности пространства (если не считать возможные измерения неподтвержденной теории струн) могут приводиться физические последствия предположения о том, что количество измерений отличается от трёх пространственных плюс одного временного. Этот аргумент выполнен в духе антропного принципа, и возможно, это первый случай его использования, пусть и до того, как концепция данного принципа была полностью сформулирована.

Неявное представление о том, что размерность существующей Вселенной является особенной, впервые высказал Лейбниц, который в «Рассуждении о метафизике» предположил, что «мир соответствует такой модели, которая является самой простой в гипотезе и самой богатой в явлениях»[5].

Макс Тегмарк рассматривает гипотезы миров с размерностью времени T > 1 с точки зрения антропного принципа и приходит к выводу о невозможности существования разумной жизни в такой модели мира. В общем случае неизвестно функционирование физических законов в мире с многомерным временем. Если Т отлично от 1, поведение физических систем не может быть выведено из знания соответствующих дифференциальных уравнений в частных производных — задача Коши для волнового уравнения становится плохо определённой. Иными словами, в мире с многомерным временем невозможно точно рассчитать поведение физических систем в будущем, а любой расчёт физических законов будет иметь несколько решений — будущее такой вселенной невозможно спрогнозировать. Разумная жизнь, способная использовать технологии, в подобной вселенной не могла бы возникнуть. Единственный вариант однозначного решения для физических уравнений в мире с многомерным временем — это движение наблюдателя со скоростью света, когда время для него вообще не существует[6].

Более того, Тегмарк утверждает, что если T > 1, протоны и электроны были бы неустойчивы и могли бы распадаться на более массивные частицы. (Это не проблема, если частицы имеют достаточно низкую температуру.) При T > 1 субатомные частицы, распадающиеся в течение определённого периода, вели бы себя непредсказуемо, геодезическая линия не обязательно была бы максимальной для времени. Случай мира с размерностью пространства N = 1 и времени T = 3 обладает интересным свойством: скорость света является нижней границей скорости материальных тел, а вся материя состоит из тахионов[6].

Только мир с трёхмерным пространством даёт достаточную стабильность и сложность, так как в мире с числом измерений пространства меньше 3 маловероятна гравитация и возникают топологические проблемы, а в мире с числом измерений пространства больше 3 невозможно существование стабильных орбит (для гравитационного и электромагнитного полей либо иных дальнодействующих взаимодействий). Поэтому миры с мерностью времени отличной от 1 имеют недостаток прогнозируемости, а миры с развёрнутой мерностью пространства больше 3 — недостаток стабильности. Таким образом, соблюдение антропного принципа исключает любые варианты мира помимо N = 3 и Т = 1 (или N = 1 и Т = 3 в других концепциях)[6].

Связь с длиной Планка и скоростью светаПравить

Движение пробной частицы может быть описано координатой:

x μ = ( c t r f ( γ τ Λ ) x )

которая является каноническим (1,3) вектором пространства-времени ( c t , x ) T с x R 3 расширенную на дополнительную временноподобную координату r f ( γ τ / Λ ) . τ тогда второй параметр времени, r R описывает размер второго временного измерения и γ является характеристической скоростью, таким образом, эквивалент c . f описывает форму второго временного измерения и Λ R параметр нормализации такой, что γ τ / Λ безразмерно. Разбивая x μ = x t μ + x τ μ с

x t μ = ( c t 0 η x ) ;   x τ μ = ( 0 r f ( γ τ Λ ) ( 1 η ) x ) , η ( 0 , 1 )

и используя метрику ( + , + , , , ) , тогда Лагранжева механика становится

L ( x , x ˙ , x , t , τ ) = r Λ c ˙ 2 t 2 + c 2 η 2 x ˙ 2 + 2 c ˙ c t ( γ 2 τ 2 + γ 2 + 2 γ γ τ ) ( d f d z | z = γ τ Λ ) 2 ( 1 η ) 2 x 2 .

Применение уравнения Эйлера — Лагранжа дает

d d t L x ˙ i + d d τ L x i   L x i = 0

Как следствие этой модели было высказано предположение, что скорость света не была постоянной в ранней Вселенной[7].

ПримечанияПравить

  1. Bars, Itzhak Two-Time Physics  (неопр.). Дата обращения: 8 декабря 2012. Архивировано 5 февраля 2013 года.
  2. 1 2 Velev, Milen. Relativistic mechanics in multiple time dimensions (англ.) // Physics Essays  (англ.) (рус. : journal. — 2012. — Vol. 25, no. 3. — P. 403—438. — doi:10.4006/0836-1398-25.3.403. — Bibcode2012PhyEs..25..403V.
  3. Синг Дж. Л. Общая теория относительности. — М.: ИЛ, 1963. — С. 349.
  4. Геометрия черных и белых дыр (Часть 1) Архивная копия от 6 февраля 2016 на Wayback Machine.
  5. Leibniz, Gottfried. Discourse on Metaphysics // Die philosophischen schriften von Gottfried Wilhelm Leibniz, Volume 4 (нем.). — Weidmann, 1880. — S. 427—463.
  6. 1 2 3 Tegmark, Max. On the dimensionality of spacetime (англ.) // Classical and Quantum Gravity : journal. — 1997. — April (vol. 14, no. 4). — P. L69—L75. — doi:10.1088/0264-9381/14/4/002. — Bibcode1997CQGra..14L..69T. — arXiv:gr-qc/9702052.
  7. A. Albrecht, J. Magueijo. A Time Varying Speed of Light as a Solution to Cosmological Puzzles. Phys. Rev. D vol. 59 043516 (1999)