Тахион — свръхсветлинна хипотетична частица: определение и значение

Научете какво са тахионите — хипотетични свръхсветлинни частици, теории, доказателства и противоречия, и тяхното значение за модерната физика и бъдещите технологии.

Тахионът е всяка хипотетична частица, която се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината. Името идва от гръцката дума "tachys" (бърз) и обозначава идеята за частица, чиято кинематика и свойства се различават коренно от тези на обикновените (подсветлинни) частици.

Основни характеристики

• Движение със v > c: по дефиниция тахионите се движат по-бързо от скоростта на светлината.
• „Въображаема“ маса: в рамките на релативистката формулировка техният инвариантен квадрат на масата е отрицателен (m2 < 0), което формално се описва като маса с въображаемо число; вижте маса и въображаемо число.
• Енергия и скорост: при анализ чрез стандартните формули от специалната теория на относителността, количествата могат да се тълкуват така, че енергията на тахиона да бъде реална само за скорости над c.
• Невъзможност за ускорение прекосявайки c: според теорията не може да се ускори частица от v < c до v > c или обратно чрез крачка, преминаваща през c (вж. по-долу).

Тахионите и специалната теория на относителността

Повечето учени са скептични относно съществуването на тахиони. Специалната теория на относителността на Айнщайн поставя строгата граница, че сигналите и частиците с реална маса не могат да надвишават c чрез локално ускорение. Тази теория също така изяснява, че явления като суперсветлинни групови скорости на вълни в дисперсивни среди не означават предаване на информация с v > c.

Квантово-полеви и теоретични аспекти

В квантовата теория на полетата терминът "тахионичен режим" често означава, че дадено поле има отрицателно m2 — това е сигнал за нестабилност на вакуума, а не непременно за реални частици, които пътуват по-бързо от светлината. В практиката такава тахионичност обикновено води до трансформация на вакуума (т.нар. тахионна конденсация) и до преминаване към по-стабилно състояние. Пример е наличието на тахионни моди в определени модели на теорията на струните, които показват, че дадена конфигурация е нестабилна и трябва да се редефинира.

Причинност, парадокси и „реинтерпретационен“ принцип

Една от основните трудности при допускане на тахиони е рискът от нарушаване на причинността: съобщения, пренасяни със скорости над c, биха могли да стигат до точки в пространствено-времевата диаграма, които са хронологически преди изпращането, създавайки парадокси. За да се избегнат такива противоречия, са предложени формализми (например т.нар. реинтерпретационен принцип), при които наблюдавани „суперсветлинни“ ефекти се тълкуват като антинчастици, движещи се обратно във времето, или други математически преописвания. Тези механизми обаче не дават практическо, експериментално потвърждение на реално съществуващи тахиони.

Експериментални търсения и наблюдения

• До днес не е открит нито един убедителен експериментален доказателствен сигнал за частици, които постоянно пътуват с v > c.
• Има множество явления, при които се наблюдават супрелуминални групови или фазови скорости (например при разпространение на вълни в специфични среди), но такива явления не пренасят информация по начин, който нарушава специалната теория на относителността.
• Ако реални тахиони съществуваха, те биха предизвиквали специфични ефекти (например постоянно излъчване, аналогично на Черенкововото излъчване), които би трябвало да бъдат наблюдаеми; такива ефекти не са регистрирани.

Значение за физиката

Въпреки липсата на наблюдения, концепцията за тахионите е полезна в теоретичната физика: тя подчертава границите и изводите от релативистките и квантовите формализми и помага при разбирането на нестабилности на вакуума, механизми на спонтанно нарушаване на симетрии и структури в теории като теорията на полетата и теорията на струните. Общо приетото становище е, че „тахионни моди“ в математическите описания обикновено сигнализират за нужда от преработване на вакуума или за преминаване към по-стабилна фаза, а не за присъствие на удобни за експерименти истински супрсветлинни частици.

Кратко резюме: Тахионът е хипотетична идея с интересни теоретични последици, но без експериментални доказателства до момента; в теорията често означава нестабилност, а не доказателство за реална свръхсветлинна частица.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво е тахион?

В: Повечето учени вярват ли, че тахионите съществуват?

В: Какво гласи специалната теория на относителността на Айнщайн?

Въпрос: Как според теорията се движат тахионите?

В: Ако тахионът съществува, каква би била неговата маса?

Въпрос: Възможно ли е нещо да пътува по-бързо от скоростта на светлината?

Търсене по буква