stringtranslate.com

Тахион

Тахион ( / ˈ t æ k i ɒ n / ) или тахионная частица — гипотетическая частица , которая всегда движется быстрее света . Физики считают, что частицы, движущиеся быстрее света, не могут существовать, поскольку они несовместимы с известными законами физики . [1] [2] Если бы такие частицы существовали, их можно было бы использовать для отправки сигналов быстрее света и в прошлое. Согласно теории относительности, это нарушило бы причинность , что привело бы к логическим парадоксам, таким как парадокс дедушки . [1] Тахионы демонстрировали бы необычное свойство увеличения скорости по мере уменьшения их энергии и требовали бы бесконечной энергии для замедления до скорости света. Никаких проверяемых экспериментальных доказательств существования таких частиц не найдено.

В статье 1967 года, в которой был введен этот термин, Джеральд Файнберг предположил, что тахионные частицы могут быть созданы из возбуждений квантового поля с мнимой массой . [3] Однако вскоре стало ясно, что модель Файнберга на самом деле не допускает сверхсветовых (быстрее света) частиц или сигналов и что тахионные поля просто вызывают нестабильности, а не нарушения причинности. [4] Термин тахионное поле относится к полям мнимой массы, а не к частицам, движущимся быстрее света. [2] [5]

Этимология

Термин тахион происходит от греческого: ταχύς , tachus , что означает быстрый . [6] :  515  Дополнительные типы частиц называются люксонами (которые всегда движутся со скоростью света ) и брадионами (которые всегда движутся медленнее света); известно, что существуют оба этих типа частиц.

История

Термин тахион был придуман Джеральдом Файнбергом в статье 1967 года под названием «Возможность частиц, движущихся быстрее света». [3] Он был вдохновлен научно-фантастическим рассказом «Пип» Джеймса Блиша . [7] Файнберг изучал кинематику таких частиц согласно специальной теории относительности . В своей статье он также ввел поля с мнимой массой (теперь также называемые тахионами) в попытке понять микрофизическое происхождение таких частиц.

Первая гипотеза относительно частиц, движущихся быстрее света, иногда приписывается физику Арнольду Зоммерфельду , который в 1904 году назвал их «метачастицами». [8] [9] Билануик, Дешпанде и Сударшан обсуждали это позднее в своей статье 1962 года на эту тему [10] и в 1969 году. [11]

Возможность существования частиц, движущихся быстрее света, была также предложена Львом Яковлевичем Штрумом  [ru] в 1923 году. [12]

В сентябре 2011 года в крупном пресс-релизе ЦЕРНа было сообщено , что тау-нейтрино переместилось со скоростью, превышающей скорость света; однако более поздние обновления ЦЕРНа по эксперименту OPERA указывают на то, что показания, превышающие скорость света, были вызваны неисправным элементом волоконно-оптической системы синхронизации эксперимента. [13]

Специальная теория относительности

В специальной теории относительности частица, движущаяся быстрее света, будет иметь пространственноподобный 4-импульс [3], в отличие от обычных частиц, которые имеют времениподобный 4-импульс . В то время как некоторые теории предполагают, что масса тахионов является мнимой , современные формулировки часто считают их массу реальной [14] [15] [16] с переопределенными формулами для импульса и энергии. Кроме того, поскольку тахионы ограничены пространственноподобной частью графика энергии-импульса, они не могут замедлиться до субсветовых (медленнее света) скоростей. [3]

Масса

В теории инварианта Лоренца те же формулы, которые применяются к обычным частицам, движущимся медленнее света (иногда называемым брадионами при обсуждении тахионов), должны применяться и к тахионам. В частности, соотношение энергии и импульса :

(где p — релятивистский импульс брадиона, а m — его масса покоя ) по-прежнему должны применяться вместе с формулой для полной энергии частицы:

Это уравнение показывает, что полная энергия частицы (брадиона или тахиона) содержит вклад от ее массы покоя («масса покоя–энергия») и вклад от ее движения, кинетической энергии. Когда (скорость частицы) больше, чем (скорость света), знаменатель в уравнении для энергии является мнимым , так как значение под квадратным корнем отрицательно. Поскольку полная энергия частицы должна быть действительной (а не комплексным или мнимым числом), чтобы иметь какой-либо практический смысл в качестве измерения, числитель также должен быть мнимым (т. е. масса покоя m должна быть мнимой, так как чисто мнимое число, деленное на другое чисто мнимое число, является действительным числом).

В некоторых современных формулировках теории масса тахионов считается реальной. [14] [15] [16]

Скорость

Один любопытный эффект заключается в том, что, в отличие от обычных частиц, скорость тахиона увеличивается с уменьшением его энергии. В частности, приближается к нулю при приближении к бесконечности. (Для обычной барионной материи увеличивается с ростом скорости, становясь произвольно большой по мере приближения к , скорости света .) Поэтому, так же как брадионам запрещено преодолевать барьер скорости света, так и тахионам запрещено замедляться ниже c , поскольку для достижения барьера сверху или снизу требуется бесконечная энергия.

Как отмечали Альберт Эйнштейн , Толмен и другие, специальная теория относительности подразумевает, что частицы, движущиеся быстрее света, если бы они существовали, могли бы использоваться для связи в обратном направлении во времени . [17]

Нейтрино

В 1985 году Чодос предположил, что нейтрино могут иметь тахионную природу. [18] Возможность частиц стандартной модели, движущихся со скоростью, превышающей скорость света, можно смоделировать с использованием членов, нарушающих инвариантность Лоренца , например, в Расширении стандартной модели . [19] [20] [21] В этой структуре нейтрино испытывают нарушающие инвариантность Лоренца колебания и могут двигаться быстрее света при высоких энергиях. Это предложение подверглось резкой критике. [22]

Сверхсветовая информация

Пространственно-временная диаграмма, показывающая, что движение быстрее света подразумевает путешествие во времени в контексте специальной теории относительности. Космический корабль отправляется с Земли из точки A в точку C медленнее света. В точке B Земля испускает тахион, который движется быстрее света, но вперед во времени в системе отсчета Земли. Он достигает космического корабля в точке C. Затем космический корабль посылает еще один тахион обратно на Землю из точки C в точку D. Этот тахион также движется вперед во времени в системе отсчета космического корабля. Это фактически позволяет Земле посылать сигнал из точки B в точку D, назад во времени.

Если тахионы могут передавать информацию быстрее света, то, согласно теории относительности, они нарушают причинность, что приводит к логическим парадоксам типа «убей своего дедушку» . Это часто иллюстрируется мысленными экспериментами, такими как «парадокс тахионного телефона» [17] или «логически пагубный самоингибитор». [23]

Проблему можно понять с точки зрения относительности одновременности в специальной теории относительности, которая гласит, что различные инерциальные системы отсчета будут расходиться во мнениях относительно того, произошли ли два события в разных местах «в одно и то же время» или нет, и они также могут расходиться во мнениях относительно порядка двух событий. (Технически эти разногласия возникают, когда пространственно-временной интервал между событиями является «пространственноподобным», что означает, что ни одно событие не лежит в будущем световом конусе другого.) [24]

Если одно из двух событий представляет собой отправку сигнала из одного места, а второе событие представляет собой прием того же сигнала в другом месте, то, пока сигнал движется со скоростью света или медленнее, математика одновременности гарантирует, что все системы отсчета согласятся, что событие передачи произошло до события приема. [24] Однако в случае гипотетического сигнала, движущегося быстрее света, всегда будут некоторые системы, в которых сигнал был получен до того, как он был отправлен, так что можно сказать, что сигнал переместился назад во времени. Поскольку один из двух фундаментальных постулатов специальной теории относительности гласит, что законы физики должны работать одинаково в каждой инерциальной системе отсчета, если сигналы могут перемещаться назад во времени в любой одной системе отсчета, это должно быть возможно во всех системах отсчета. Это означает, что если наблюдатель A посылает сигнал наблюдателю B, который движется быстрее света в системе отсчета A, но назад во времени в системе отсчета B, а затем B посылает ответ, который движется быстрее света в системе отсчета B, но назад во времени в системе отсчета A, то может оказаться, что A получает ответ до отправки исходного сигнала, что ставит под сомнение причинность в каждом кадре и открывает дверь для серьезных логических парадоксов. [25] Это известно как тахионный антителефон .

Принцип реинтерпретации

Принцип реинтерпретации [3] [10] [25] утверждает, что тахион, отправленный назад во времени, всегда может быть переинтерпретирован как тахион, путешествующий вперед во времени, поскольку наблюдатели не могут отличить испускание и поглощение тахионов. Попытка обнаружить тахион из будущего (и нарушить причинность) фактически создала бы тот же самый тахион и отправила бы его вперед во времени (что является причинностью).

Однако этот принцип не является широко принятым как разрешающий парадоксы. [17] [25] [26] Вместо этого, чтобы избежать парадоксов, требуется, чтобы, в отличие от любой известной частицы, тахионы никак не взаимодействовали и никогда не могли быть обнаружены или обнаружены, потому что в противном случае тахионный луч можно было бы модулировать и использовать для создания антителефона [17] или «логически пагубного самоингибитора». [23] Считается, что все формы энергии взаимодействуют, по крайней мере, гравитационно, и многие авторы утверждают, что сверхсветовое распространение в теориях Лоренц-инвариантности всегда приводит к причинным парадоксам. [27] [28]

Фундаментальные модели

В современной физике все фундаментальные частицы рассматриваются как возбуждения квантовых полей . Существует несколько различных способов, с помощью которых тахионные частицы могут быть встроены в теорию поля.

Поля с мнимой массой

В статье, в которой был введен термин «тахион», Джеральд Файнберг изучал квантовые поля с мнимой массой , инвариантные по Лоренцу . [3] Поскольку групповая скорость для такого поля сверхсветовая , наивно кажется, что его возбуждения распространяются быстрее света. Однако быстро стало понятно, что сверхсветовая групповая скорость не соответствует скорости распространения любого локализованного возбуждения (например, частицы). Вместо этого отрицательная масса представляет собой неустойчивость к конденсации тахионов , и все возбуждения поля распространяются субсветово и согласуются с причинностью. [29] Несмотря на отсутствие распространения быстрее света, такие поля во многих источниках называются просто «тахионами». [5] [30] [31] [32] [2]

Тахионные поля играют важную роль в современной физике. Возможно, самым известным является бозон Хиггса Стандартной модели физики элементарных частиц , который имеет мнимую массу в своей неконденсированной фазе. В целом, явление спонтанного нарушения симметрии , тесно связанное с конденсацией тахионов, играет важную роль во многих аспектах теоретической физики, включая теории сверхпроводимости Гинзбурга–Ландау и БКШ . Другим примером тахионного поля является тахион теории бозонных струн . [30] [33]

Тахионы предсказываются теорией бозонных струн, а также секторами Невё-Шварца (NS) и NS-NS , которые являются соответственно открытым бозонным сектором и закрытым бозонным сектором теории суперструн RNS до проекции GSO . Однако такие тахионы невозможны из-за гипотезы Сена , также известной как конденсация тахионов . Это привело к необходимости проекции GSO .

Теории, нарушающие закон Лоренца

В теориях, не уважающих лоренц-инвариантность , скорость света не является (обязательно) барьером, и частицы могут двигаться быстрее скорости света без бесконечной энергии или причинных парадоксов. [27] Класс полевых теорий такого типа — так называемые расширения Стандартной модели . Однако экспериментальные доказательства лоренц-инвариантности чрезвычайно хороши, поэтому такие теории очень жестко ограничены. [34] [35]

Поля с неканоническим кинетическим членом

Изменяя кинетическую энергию поля, можно создавать лоренц-инвариантные теории поля с возбуждениями, распространяющимися сверхсветово. [29] [28] Однако такие теории, как правило, не имеют четко определенной задачи Коши (по причинам, связанным с вопросами причинности, обсуждавшимися выше), и, вероятно, являются противоречивыми с точки зрения квантовой механики.

В художественной литературе

Тахионы появлялись во многих художественных произведениях. Они использовались в качестве резервного механизма, на который многие авторы научной фантастики полагаются для установления связи со скоростью, превышающей скорость света, с упоминанием или без упоминаний о причинно-следственных связях. Слово тахион стало настолько широко известным, что может придавать научно-фантастическую окраску, даже если рассматриваемый предмет не имеет особого отношения к сверхсветовому путешествию (форма техноболтовни , родственная позитронному мозгу ). [36]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Типлер, Пол А.; Ллевеллин, Ральф А. (2008). Современная физика (5-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: WH Freeman & Co. стр. 54. ISBN 978-0-7167-7550-8. ... поэтому существование частиц v > c ... называемых тахионами ... поставило бы теорию относительности перед серьезными ... проблемами бесконечных энергий творения и парадоксов причинности.
  2. ^ abc Рэндалл, Лиза (2005). Искривленные проходы: Раскрытие тайн скрытых измерений Вселенной . Harper Collins. стр. 286. ISBN 9780060531089. Изначально люди думали о тахионах как о частицах, движущихся быстрее скорости света... Но теперь мы знаем, что тахион указывает на нестабильность в теории, которая его содержит. К сожалению, для любителей научной фантастики тахионы не являются реальными физическими частицами, которые встречаются в природе.
  3. ^ abcdef Файнберг, Г. (1967). «Возможность частиц, движущихся быстрее света». Physical Review . 159 (5): 1089–1105. Bibcode : 1967PhRv..159.1089F. doi : 10.1103/PhysRev.159.1089.
    Файнберг, Г. (1978). "[название не указано]". Physical Review D. 17 : 1651. doi :10.1103/physrevd.17.1651.
  4. ^ Ааронов, Ю.; Комар, А.; Сасскинд, Л. (25 июня 1969 г.). «Сверхсветовое поведение, причинность и нестабильность». Physical Review . 182 (5): 1400–1403. Bibcode :1969PhRv..182.1400A. doi :10.1103/PhysRev.182.1400.
  5. ^ ab Sen, Ashoke (2002). "Rolling tachyon" (Катящийся тахион). Журнал физики высоких энергий . 2002 (4): 048. arXiv : hep-th/0203211 . Bibcode : 2002JHEP...04..048S. doi : 10.1088/1126-6708/2002/04/048. S2CID  12023565.
  6. ^ Фокс, Р.; Купер, К. Г.; Липсон, С. Г. (1970). «Групповые скорости быстрее света и нарушение причинности». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки . 316 (1527): 515–524. ISSN  0080-4630.
  7. ^ Бенфорд, Грегори (6 июля 2013 г.). Старые легенды. стр. 276. Спустя годы он рассказал мне, что начал думать о тахионах, потому что был вдохновлен рассказом Джеймса Блиша [1954] «Пип». В нем коммуникатор, работающий быстрее скорости света, играет решающую роль в будущем обществе, но в конце каждого сообщения у него есть раздражающий последний писк . Коммуникатор обязательно позволяет отправлять сигналы назад во времени, даже если это не входит в ваши намерения. В конце концов, персонажи обнаруживают, что все будущие сообщения сжимаются в этот писк, поэтому будущее становится известным, более или менее случайно. Файнберг намеревался проверить, возможно ли такое устройство теоретически.
  8. ^ Зоммерфельд, А. (1904). «Упрощенный вывод поля и сил электрона, движущегося любым заданным образом». KNKL. Acad. Wetensch . 7 : 345–367.
  9. ^ Дэвидсон, Марк П. (2001). «Тахионы, Кванты и Хаос». arXiv : quant-ph/0103143 .
  10. ^ аб Биланюк, О.-МП; Дешпанде, В.К.; Сударшан, ЭКГ (1962). "«Мета» относительность». Американский журнал физики . 30 (10): 718. Bibcode : 1962AmJPh..30..718B. doi : 10.1119/1.1941773.
  11. ^ Биланюк, О.-МП; Сударшан, Э.К.Г. (1969). «Частицы за световым барьером». Physics Today . 22 (5): 43–51. Bibcode : 1969PhT....22e..43B. doi : 10.1063/1.3035574.
  12. ^ Чащина, Ольга; Силагадзе, Зураб (13 апреля 2022 г.). «Relativity 4-ever?». Physics . 4 (2): 421–439. arXiv : 2107.10739 . doi : 10.3390/physics4020028 . ISSN  2624-8174.
  13. ^ «Нейтрино, отправленные из ЦЕРНа в Гран-Сассо, соблюдают космический предел скорости» (пресс-релиз). ЦЕРН . 8 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 г. Получено 8 июня 2012 г.
  14. ^ ab Recami, E. (16 октября 2007 г.). «Классические тахионы и возможные применения». Rivista del Nuovo Cimento . 9 (6): 1–178. Bibcode :1986NCimR...9e...1R. doi :10.1007/BF02724327. ISSN  1826-9850. S2CID  120041976.
  15. ^ ab Vieira, RS (2011). "Введение в теорию тахионов". Rev. Bras. Ens. Fis . 34 (3). arXiv : 1112.4187 . Bibcode :2011arXiv1112.4187V.
  16. ^ ab Hill, James M.; Cox, Barry J. (8 декабря 2012 г.). «Специальная теория относительности Эйнштейна за пределами скорости света». Труды Королевского общества A. 468 ( 2148): 4174–4192. Bibcode : 2012RSPSA.468.4174H. doi : 10.1098/rspa.2012.0340 . ISSN  1364-5021.
  17. ^ abcd Бенфорд, Г .; Бук, Д.; Ньюкомб, У. (1970). «Тахионный антителефон». Physical Review D. 2 ( 2): 263–265. Bibcode : 1970PhRvD...2..263B. doi : 10.1103/PhysRevD.2.263.
  18. ^ Chodos, A. (1985). «Нейтрино как тахион». Physics Letters B. 150 ( 6): 431–435. Bibcode :1985PhLB..150..431C. doi :10.1016/0370-2693(85)90460-5. hdl : 2022/20737 .
  19. ^ Колладей, Д.; Костелецкий, ВА (1997). «Нарушение CPT и Стандартная модель». Physical Review D. 55 ( 11): 6760–6774. arXiv : hep-ph/9703464 . Bibcode : 1997PhRvD..55.6760C. doi : 10.1103/PhysRevD.55.6760. S2CID  7651433.
  20. ^ Колладей, Д.; Костелецкий, ВА (1998). "Расширение Стандартной модели, нарушающее закон Лоренца". Physical Review D. 58 ( 11): 116002. arXiv : hep-ph/9809521 . Bibcode : 1998PhRvD..58k6002C. doi : 10.1103/PhysRevD.58.116002. S2CID  4013391.
  21. ^ Костелецкий, ВА (2004). «Гравитация, нарушение Лоренца и Стандартная модель». Physical Review D. 69 ( 10): 105009. arXiv : hep-th/0312310 . Bibcode : 2004PhRvD..69j5009K. doi : 10.1103/PhysRevD.69.105009. S2CID  55185765.
  22. ^ Хьюз, Ричард Дж.; Стивенсон, Г. Дж. (1990). «Против тахионных нейтрино». Physics Letters B. 244 ( 1): 95–100. Bibcode : 1990PhLB..244...95H. doi : 10.1016/0370-2693(90)90275-B.
  23. ^ ab Fitzgerald, P. (1970). "Тахионы, обратная причинность и свобода". Труды двухгодичного заседания Ассоциации философии науки, т. 1970. Ассоциация философии науки, двухгодичное заседание 1970 года. PSA. Т. 1970. стр. 425–426. Более весомый аргумент, показывающий, что ретрокаузальные тахионы связаны с невыносимой концептуальной трудностью, проиллюстрирован на примере "Случая логически пагубного самоингибитора" ...
  24. ^ ab Джаррелл, Марк. "Специальная теория относительности" (PDF) . Курс электродинамики, глава 11. Университет Цинциннати . стр. 7–11. Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2006 г. . Получено 27 октября 2006 г. .
  25. ^ abc Grøn, Ø.; Hervik, S. (2007). Общая теория относительности Эйнштейна: с современными приложениями в космологии. Springer . стр. 39. ISBN 978-0-387-69199-2. Парадокс тахионного телефона не может быть решен с помощью принципа реинтерпретации.
  26. ^ Реками, Эразмо; Фонтана, Флавио; Гаравалья, Роберто (2000). «Специальная теория относительности и сверхсветовые движения: обсуждение некоторых недавних экспериментов». International Journal of Modern Physics A . 15 (18): 2793–2812. arXiv : 0709.2453 . doi :10.1142/S0217751X00001403. возможно ... также разрешить известные причинные парадоксы, придуманные для [опровержения] движения «быстрее света», хотя это пока не получило широкого признания.
  27. ^ ab Barceló, Carlos; Finazzi, Stefano; Liberati, Stefano (2010). «О невозможности сверхсветовых путешествий: урок варп-двигателя». arXiv : 1001.4960 [gr-qc]. По сути, любой механизм для сверхсветовых путешествий можно легко превратить в машину времени и, следовательно, привести к типичным парадоксам причинности...
  28. ^ ab Adams, Allan ; Arkani-Hamed, Nima; Dubovsky, Sergey; Nicolis, Alberto; Rattazzi, Riccardo (2006). "Причинность, аналитичность и ИК-препятствие УФ-завершению". Journal of High Energy Physics . 2006 (10): 014. arXiv : hep-th/0602178 . Bibcode :2006JHEP...10..014A. doi :10.1088/1126-6708/2006/10/014. S2CID  2956810.
  29. ^ ab Ааронов, Ю.; Комар, А.; Сасскинд, Л. (1969). «Сверхсветовое поведение, причинность и нестабильность». Phys. Rev. 182 ( 5): 1400–1403. Bibcode :1969PhRv..182.1400A. doi :10.1103/PhysRev.182.1400.
  30. ^ ab Greene, Brian (2000). Элегантная вселенная . Винтажные книги.
  31. ^ Кутасов, Дэвид; Мариньо, Маркос; Мур, Грегори (2000). "Некоторые точные результаты по конденсации тахионов в теории струнного поля". Журнал физики высоких энергий . 2000 (10): 045. arXiv : hep-th/0009148 . Bibcode : 2000JHEP...10..045K. doi : 10.1088/1126-6708/2000/10/045. S2CID  15664546.
  32. ^ Гиббонс, GW (13 июня 2002 г.). «Космологическая эволюция катящегося тахиона». Physics Letters B . 537 (1–2): 1–4. arXiv : hep-th/0204008 . Bibcode :2002PhLB..537....1G. doi :10.1016/S0370-2693(02)01881-6. S2CID  119487619.
  33. ^ Полчински, Дж. (1998). «Теория струн». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (19). Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press : 11039–11040. Bibcode : 1998PNAS...9511039G. doi : 10.1073 /pnas.95.19.11039 . PMC 33894. PMID  9736684. 
  34. ^ Глэшоу, Шелдон Ли (2004). «Ограничения на атмосферные нейтрино при нарушении Лоренца». arXiv : hep-ph/0407087 .
  35. ^ Coleman, Sidney R. & Glashow, Sheldon L. (1999). "Высокоэнергетические тесты инвариантности Лоренца". Physical Review D. 59 ( 11): 116008. arXiv : hep-ph/9812418 . Bibcode : 1999PhRvD..59k6008C. doi : 10.1103/PhysRevD.59.116008. S2CID  1273409.
  36. ^ Вагстафф, Кит (15 июля 2018 г.). «Наука, стоящая за технобаблом Star Trek». Mashable . Получено 12 февраля 2021 г. .

Внешние ссылки

Найдите слово «тахион» в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть медиафайлы по теме Тахиона .