研究展示多维时空及超光速理论新进展

　　根据《古典和量子引力》期刊发表的一份新研究，要揭示超光速物理学的奥秘，科学家们可能需要将针对时间维度数量的研究进行到底。具体而言，答案可能在三个时间维度，再搭配上一个空间维度。数学是相当深奥和复杂的，不过我们终究可以掌握这一概念。

　　此为示意图

　　这里的关键是“超光速观察者”的概念。超光速观察者并不是真实的，而是假设有一个观测者正以比光速还快的速度行进，并观察着宇宙。就像在《星舰迷航》（Star Trek）中乘坐着“曲速”（Warp Speed，一种假想的超光速状态）飞船一般。

　　超光速观察者的概念相当引人入胜，因为在某种意义上，它融合了物理学中两个差异悬殊的分支理论，即广义相对论和量子力学。爱因斯坦的广义相对论，会在当物体以亚光速（接近光速但低于光速）运动时，控制时空的特性。量子力学则是关于亚原子粒子在极小尺度上行为方式的物理规则。

　　由华沙大学和新加坡国立大学理论物理学家安德烈．德拉甘（Andrzej Dragan）所带领的研究团队，之前已经从理论上说明量子力学的多个方面（包括量子非决定论和量子态叠加），皆可透过将广义相对论原理应用于超光速观察者来解释。换句话说，如果我们乘坐的飞船达到曲速，时空将会变得相当超乎想像，也许那时任何物体都会突然同时出现在多个地方。

　　德拉甘的最新研究成果指出，这至少在理论上是可能的。或许更加有趣的是，广义相对论在超光速条件下转化为量子现象的方式并不会导致任何因果悖论。在2020年3月发表于《新物理学杂志》的研究中，德拉甘及其共同作者只研究了一个空间维度和一个时间维度，也称为“1+1”时空。而在最新的论文中，他们增加了时间维度的数量，成为1+3时空，即其中包含一个空间维度和三个时间维度。

　　时间和空间的数学翻转

　　为何需要三个时间维度呢？要了解背后原因，可能得先谈到一点数学。德拉甘解释说：“尽管我们普遍不这么认为，但根据相对论，时间和空间是非常相似的，而就数学上来说，它们之间唯一的差别就是方程式中某处有一个减号。”在复杂的数学中这只是很小的差异，但想想平方差这个数学例子， x2-16=(x-4)(x+4)，而x2+8x+16=(x+4)(x+4)。只因为一个加号变减号的差异，多项式的中间项8x就完全消失了。

　　当观察者以超光速前进时，符号的差异也改变了。在新理论的数学形式中，时间和空间必须翻转。“超光速观察者的时间变成亚光速观察者的空间，而它们的空间变成了时间。”德拉甘表示。换言之，一般亚光速观察者的空间和时间变为超光速观察者的时间和空间。“所以它们的相应符号需要互换。”

　　在1+1时空的设想中，意味着两个维度（一个时间，一个空间）是一样的，那么进行互换就是不必要的。如果50=50，那么两个50之间的分别就不重要了。（在逻辑上，此称为恒真式。）这代表如果我们真的想将时间和空间视作不同事物来研究，就需要再加入第二个二维组合。由空间和1号时间为一组代表空间，而2号时间和3号时间为一组共同代表时间。这不完全等同于平方差的例子，但我们有了两组平衡的维度。

　　物理学中的对称

　　由于德拉甘的团队想要证明即使是超光速，物理学依旧能表现出对称性，这也是此研究另一个有趣的地方。

　　“物理学中的对称概念可以追溯至伽利略，”德拉甘说。“他注意到，无论我们以什么速度移动，只要速度不变，我们的物理学一样会保持恒定。鹦鹉在移动中的飞船上飞行，会感受到与在地球上同样的动力学定律。”

　　德拉甘解释，长期以来，任何物体的速度都无法超越光速的想法，一直限制着我们对物理学的认知。这表示从定义上来说，超光速观察者的存在就是一种例外，我们必须努力将对称的概念延伸至其中。

　　德拉甘说：“我们认为这个额外的限制假设是不必要的。”他相信对称的概念或许能延伸至超光速中，而当鹦鹉在曲速（超光速）飞船上飞行也会受制于相同的物理定律。

　　迈向大一统理论

　　其实这篇研究的重点与以曲速飞行无关；相反，它是对物理学的一个分析，以显示我们如何将两个非常不同的物理学分支结合在一起。为什么这本身如此重要？

　　“关于不止一个时间维度的概念，其他科学家已经思考了许多年，所以它并不新奇。”曾担任NASA物理学家的哈罗德．怀特（Harold White）告诉《大众机械》（Popular Mechanics）杂志。“不过由该研究作者所提出的数学架构很特别。作者在该研究中获得的好处是，它为我们所需要的‘场理论’框架构建了一个数学基础。”

　　什么是“场理论”框架？它是一个能涵盖所有物理学的全面性理论。“如果我们把物理学的标准模型想像成文氏图（Venn diagram），图中会有两个并排的圆形，彼此间只有一个接触的切点。”怀特解释，“大一统理论的概念或许能被想像成一个更大的圆圈，其中涵盖着两个较小的圆圈。”

　　透过研究成果的展示，研究者为大一统的物理学指出了一条明确的道路，同时证明了它在实用和数学方面是更合理的。

　　到目前为止，你可能会觉得：超光速的东西都很有趣。不过曲速本身只是科幻，对吧？超光速观察者只是思想实验而已，对吧？

　　德拉甘并不这样想，“最后一个问题是，超光速物体只是一个数学上的可能性，还是它们在现实中真实存在。”他总结说，“我们比较相信后者，这也是我们进一步研究的目的。”

　　曲速飞船曾经是科幻作家所能想像到的最离奇的事物，但它却包含着物理学中两种截然不同的分支，并成为一个优雅的理论。事实上，超光速物体在现实中与我们的距离，可能比我们想像的还要近。