Was, wenn Photonen nicht die schnellsten Teilchen sind?

Wenn (und das ist ein großes Wenn) morgen hatten wir ein$70\sigma$Nachweis in einem wiederholbaren Experiment eines Teilchens, das sich schneller fortbewegt als$c$, dann wäre eines von mehreren Dingen wahr.

1) Wir wären gezwungen, darauf zu schließen$c$ist in der Tat nicht die begrenzende Geschwindigkeit der Informationsübertragung; alles, was auf dieser Annahme basiert, müsste verworfen werden (so ziemlich die gesamte Physik auf Forschungsebene); und wir müssten von vorn anfangen, sogar die Mathematik zu entwickeln, die es uns erlaubt, mit der Neubeschreibung des Universums zu beginnen.

2) Wir wären gezwungen, darauf zu schließen$c$ist nicht die begrenzende Geschwindigkeit der Informationsübertragung; wir würden annehmen, dass die spezielle Relativitätstheorie und alles, was darauf basiert, die effektive Spezialfalltheorie viel umfassenderer physikalischer Gesetze und Verhaltensweisen ist; und wir müssten einen Weg finden, die Relativitätstheorie (und im Grunde alles, was darauf beruht) so zu modifizieren, dass sie ursächlich die Existenz dieses Teilchens zulassen kann und dennoch alles andere, was wir sehen, im Grunde immer noch unter der Idee funktioniert, dass$c$ist die Höchstgeschwindigkeit.

3) Wir finden einen Weg, dieses Teilchen zu nutzen, um mit Vergangenheit und Zukunft zu kommunizieren, reisen schneller als das Licht, und dann gehen wir jede Nacht nach Hause und lachen über Einstein.

4) Wir führen das Experiment tausende Male in verschiedenen Labors durch, finden das gleiche Ergebnis, gehen dann zurück und entdecken, dass die Theorie einen grundlegenden Fehler hatte. Sobald der Fehler behoben ist, sehen wir, dass wir nicht wirklich ein superluminales Teilchen beobachten.

5) Wir entdecken auch fliegende Schweine, Perpetuum Mobile und dass wir wirklich glauben können , dass es keine Butter ist. Dann wache ich aus meinem Alptraum auf.

Mein Geld ist auf (4) gesetzt, wobei (2) knapp an zweiter Stelle steht (obwohl (5) schon früher passiert ist).

Hinweis: Diese Antwort geht davon aus, dass die Geschwindigkeit$c$Bezug genommen wird auf die angenommene Höchstgeschwindigkeit; die Geschwindigkeit eines masselosen Teilchens im Vakuum. Aus diesem Grund habe ich keine Option "Wir stellen fest, dass das Photon nicht masselos ist und müssen dann EM ändern" eingefügt.

Was aber, wenn wir morgen zufällig ein Teilchen X beobachten, das sich mit einer Geschwindigkeit V>c fortbewegt?

Wir hätten die erste Beobachtung eines Tachyons gemacht .

In der speziellen Relativitätstheorie hätte ein Teilchen, das schneller als Licht ist, einen raumähnlichen Viererimpuls, im Gegensatz zu gewöhnlichen Teilchen, die einen zeitähnlichen Viererimpuls haben. Es hätte auch imaginäre Masse. Da es auf den raumähnlichen Teil des Energie-Impuls-Diagramms beschränkt war, konnte es nicht auf subluminale Geschwindigkeiten verlangsamen.

Ich möchte mit der bereits umfassenden Antwort von Jims Bond fortfahren. Angenommen, wir hätten einen schlüssigen Beweis für unsere Beobachtung von a$V>c$und dass wir Alternative (5) von Jims Antwort ausgeschlossen haben. Ich stimme Jim zu, dass die nächstwahrscheinlichste von Jims Alternativen ist:

2) Wir wären gezwungen, darauf zu schließen$c$ist nicht die begrenzende Geschwindigkeit der Informationsübertragung; wir würden annehmen, dass die spezielle Relativitätstheorie und alles, was darauf basiert, die effektive Spezialfalltheorie viel umfassenderer physikalischer Gesetze und Verhaltensweisen ist; und wir müssten einen Weg finden, die Relativitätstheorie (und im Grunde alles, was darauf beruht) so zu modifizieren, dass sie ursächlich die Existenz dieses Teilchens zulassen kann und dennoch alles andere, was wir sehen, im Grunde immer noch unter der Idee funktioniert, dass$c$ist die Höchstgeschwindigkeit.

Bevor wir dies tun, wäre die erste Frage, die ich stellen würde, und der erste Test, den ich in Betracht ziehen würde, wie unsere Beobachtung funktioniert$V$Transformation zwischen verschiedenen Trägheitsbeobachtern ? Vielleicht wird das Transformationsgesetz getestet und als von der Lorentz-Transformation vorgesehen befunden. Es ist durchaus möglich und ich denke tatsächlich, das wahrscheinlichste Ergebnis. Dies bedeutet, dass einige Beobachter das Teilchen rückwärts laufen sehen. Dies würde bedeuten, dass die Transformationen und Kinematik der speziellen Relativitätstheorie immer noch funktionieren könnten, vermutlich könnte die allgemeine Relativitätstheorie immer noch funktionieren (das Äquivalenzprinzip würde immer noch sinnvoll lokale Minkowski-Nachbarschaften eines Raumzeitereignisses implizieren), aber es gäbe mindestens drei alternative Konsequenzen, die mir einfallen :

1. Wir haben im Grunde die Tachyon - Beobachtung wie in Alfreds Antwort . Außerdem gibt es in unserem Universum inzwischen einige kausale Zusammenhänge, die in die Vergangenheit weisen. Wir müssten erklären, warum die meisten kausalen Beziehungen in der Physik nach vorne zeigen, wobei die Wirkung nach der Ursache kommt, aber für diese speziellen Teilchen kann dies umgekehrt werden;

2. Die beobachtete Ausbreitung ist real und mit$V>c$, aber die Abfolge von Ereignissen, die die beobachtete Ausbreitung des "Teilchens" ausmachen, stehen in keinem kausalen Zusammenhang . Ich denke hier an ein physikalisches Phänomen, das ich eine "mexikanische Welle nach vorheriger Vereinbarung" nenne. Ein Beispiel für ein Phänomen in dieser Kategorie ist das Schwenken eines Laserpointers über die Oberfläche des Mondes von der Erde, so dass der Fleck größer als überstrichen wird$c$(Dies passiert, wenn Sie den Laserpointer so bewegen, dass seine Winkelgeschwindigkeit größer als etwa 45 Grad pro Sekunde ist). Es ist möglich, dass unsere beobachtet$V>c$ist eine Version davon. Hier beinhaltet der physikalische Prozess eine Vorprogrammierungsphase , in der benachbarte Prozesse, die an Punkten in der Raumzeit stattfinden, vorprogrammiert sind , um zu "vorher festgelegten" Zeiten in der Zukunft zu feuern, so dass, wenn sie feuern, der Effekt darin besteht, dass benachbarte Prozesse in schneller Folge feuern, so dass Der experimentelle Effekt ist ein Prozess, der sich schneller als ausbreitet$c$. Aber der „Vorprogrammierungs“-Teil des Prozesses geschieht subluminal, und deshalb weisen Ursache-Wirkungs-Beziehungen während der gesamten Vorprogrammierung für alle Beobachter immer nach vorne, wohingegen die beobachtete Ausbreitung scheinbar rückwärts in der Zeit fortschreiten kann.

Jetzt kommen wir zu der fiesen Alternative: unseren Partikeln$V$Es wird beobachtet, dass sie sich auf eine andere Weise als die Lorentz-Transformation transformiert. Vielleicht sogar diese neue Geschwindigkeit$V$ist selbst unveränderlich! Wir wissen es $c$ist experimentell invariant , und dies legt die Form der Lorentz-Transformation fest, wenn sehr grundlegende Annahmen wie das Relativitätsprinzip von Galileo und die kopernikanischen Vorstellungen von räumlicher Isotropie und Homogenität gegeben sind. Wenn das beobachtet wird$V>c$transformiert sich anders als durch die Lorentz-Transformation mit unveränderlicher Geschwindigkeit vorhergesagt$c$, dann impliziert dies, dass einige unserer sehr grundlegenden Annahmen über das Universum in einigen Fällen falsch sind. Galileos Prinzip könnte falsch sein. Homogenität kann falsch sein, selbst auf kleinen Skalen. Die Isotropie könnte fehlerhaft sein. Eine dieser Grundannahmen muss brechen.

Der mögliche Raum für das in der Antwort von WetSavannaAnimal erwähnte böse Alternativszenario wurde in diesem Artikel ausführlich ausgearbeitet . Als das OPERA-Experiment aufgrund einer fehlerhaften Kabelverbindung offenbar schneller als leichte Neutrinos gesehen hatte, konnte ausgerechnet werden, dass dies unmöglich war, da der dort vorhandene Raum für Lorentz-Invarianz-Verletzungen vorhersagen würde, dass die Neutrinos Vakuum-Cherenkov-Strahlung emittiert hätten und als Ergebnis hätte das Energiespektrum auf eine Weise beeinflusst werden müssen, die man nicht gesehen hat, siehe hier .