Перейти до змісту

← На головну

Тахіони

Гіпотетичні частинки, що завжди рухаються зі швидкістю, більшою за швидкість світла у вакуумі ($v > c$). Формально допускаються релятивістським дисперсійним співвідношенням за умови уявної маси спокою ($m^2 < 0$), проте створюють парадокси причинності (тахіонний антителефон) і в квантовій теорії поля сигналізують про нестабільність вакууму (тахіонна конденсація, як у полі Хіґґса).

Огляд (Overview)

Спеціальна теорія відносності забороняє розігнати звичайне тіло з дійсною масою спокою $m > 0$ (тардіон) від досвітлової швидкості до швидкості світла, оскільки для цього потрібна нескінченна енергія. Проте математичний апарат теорії відносності не містить прямої заборони на існування об'єктів, які від моменту свого виникнення вже рухаються швидше за світло ($v > c$).

Термін тахіон запропонував у 1967 році американський фізик Джеральд Фейнберг (від грецького tachys — швидкий). Фейнберг досліджував теоретичні наслідки гіпотези про існування таких надсвітлових частинок. Усі частинки у фізиці умовно поділяють на три класи за швидкістю: тардіони ($v < c$, звичайна матерія з дійсною масою $m^2 > 0$), люксони ($v = c$, безмасові частинки, такі як фотон і гравітон, з $m = 0$) та тахіони ($v > c$, гіпотетичні частинки з $m^2 < 0$).

Ключові деталі / Підтеми

  • Релятивістська кінематика та уявна маса: релятивістське співвідношення між енергією, імпульсом і масою має вигляд $E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4$. Знаменник виразу для повної енергії $E = m c^2 / \sqrt{1 - v^2/c^2}$ при $v > c$ стає суто уявним числом. Щоб енергія й імпульс частинки залишалися дійсними фізичними величинами, маса спокою $m$ також має бути уявною величиною, тобто квадрат маси є від'ємним: $m^2 < 0$ ($m = i\mu$, де $\mu > 0$).
  • Парадоксальні динамічні властивості:
  • Зворотна залежність швидкості від енергії: для звичайних частинок зростання енергії збільшує швидкість до $c$. Для тахіонів навпаки: при зменшенні енергії до нуля ($E \to 0$) його швидкість зростає до нескінченності ($v \to \infty$).
  • Бар'єр швидкості світла «зверху»: щоб загальмувати тахіон до швидкості світла $c$, потрібна нескінченна кількість енергії ($E \to \infty$ при $v \to c^+$). Швидкість світла є непереборним бар'єром для тахіонів зверху, так само як для звичайної матерії — знизу.
  • Черенковське випромінювання у вакуумі: заряджений тахіон, рухаючись у вакуумі швидше за швидкість світла, мав би неперервно випромінювати фотони (черенковське випромінювання), втрачаючи енергію і спонтанно прискорюючись до нескінченної швидкості.
  • Тахіонний антителефон і порушення причинності: згідно з перетвореннями Лоренца, якщо подія передачі сигналу та подія його прийому розділені простороподібним інтервалом ($v > c$), завжди існує система відліку, у якій порядок подій інвертується (прийом сигналу відбувається раніше за його відправлення). Використовуючи два тахіонні передавачі, що рухаються назустріч один одному, спостерігач може надіслати повідомлення у власне минуле («тахіонний телефон»), створюючи причинні петлі (наприклад, скасування наказу про відправку сигналу після отримання відповіді).
  • Тахіонна конденсація у квантовій теорії поля: у сучасній квантовій теорії поля наявність поля з від'ємним квадратом маси ($m^2 < 0$) означає не існування реальних надсвітлових частинок, а нестабільність початкового вакууму (локальний максимум потенціалу, «перевернутий пагорб»). Поле спонтанно скочується до нового стабільного мінімуму енергії — процес, відомий як тахіонна конденсація.
  • Зв'язок із механізмом Хіґґса: фундаментальним прикладом тахіонного поля є поле Хіґґса у Стандартній моделі. До спонтанного порушення симетрії скалярне поле Хіґґса має тахіонний масовий параметр ($m^2 < 0$) у нульовому стані. Сповзання поля в мінімум потенціалу («мексиканський капелюх») формує вакуумне середнє (~246 ГеВ), надає маси елементарним частинкам, а квантові флуктуації навколо стабільного вакууму утворюють фізичний бозон Хіґґса зі звичайною позитивною масою ($m^2 > 0$, ~125 ГеВ).
  • Експериментальні пошуки: жодного підтвердженого спостереження тахіонів не існує. У 2011 році колаборація OPERA повідомила про надсвітлову швидкість мюонних нейтрино, проте подальша перевірка виявила технічну помилку у синхронізації оптоволоконного кабелю GPS, а експеримент ICARUS підтвердив точну відповідність швидкості нейтрино швидкості світла $c$.

Суперечності та відкриті питання

  • Вільні тахіонні частинки не сумісні з квантовою теорією поля через появу негативних імовірностей (порушення унітарності) та нестабільність основного стану вакууму (нескінченне спонтанне народження частинок).
  • У теорії струн (зокрема бозонних струнах) виникнення тахіонних мод у спектрі вказує на нестабільність фонового простору-часу та необхідність переходу до стабільної суперструнної конфігурації.

Джерела та посилання