Тахион
| Классификация | Элементарная частица |
|---|---|
| Положение дел | Гипотетический |
| Теоретический | 1967 |
Тахион , ( / ˈ t æ k i ɒ n / ) или тахионная частица — это гипотетическая частица которая всегда движется быстрее света . Физики полагают, что частицы со скоростью, превышающей скорость света, не могут существовать, поскольку они не соответствуют известным законам физики . [1] [2] Если бы такие частицы действительно существовали, их можно было бы использовать для передачи сигналов со скоростью, превышающей скорость света. Согласно теории относительности, это нарушит причинно-следственную связь , что приведет к логическим парадоксам, таким как парадокс дедушки . [1] Тахионы будут проявлять необычное свойство увеличиваться в скорости по мере уменьшения их энергии, и им потребуется бесконечная энергия, чтобы замедлиться до скорости света. Никаких поддающихся проверке экспериментальных доказательств существования таких частиц обнаружено не было.
В статье 1967 года, в которой был предложен этот термин, Джеральд Фейнберг предположил, что тахионные частицы могут быть созданы в результате возбуждения квантового поля с мнимой массой . [3] Однако вскоре стало понятно, что модель Фейнберга на самом деле не учитывает сверхсветовые (быстрее света) частицы или сигналы и что тахионные поля просто приводят к нестабильностям, а не к нарушениям причинности. [4] Термин «тахионное поле» относится к полям мнимых масс, а не к частицам со скоростью, превышающей скорость света. [2] [5]
Термин 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 оба этих типа частиц существуют.
История [ править ]
Термин « тахион» был придуман Джеральдом Фейнбергом в статье 1967 года под названием «Возможность частиц со скоростью, превышающей скорость света». [3] Его вдохновил научно-фантастический рассказ Джеймса Блиша «Бип» . [7] Фейнберг изучал кинематику таких частиц согласно специальной теории относительности . В своей статье он также представил поля с мнимой массой (теперь также называемые тахионами), пытаясь понять микрофизическое происхождение таких частиц.
Первую гипотезу о частицах, движущихся быстрее скорости света, иногда приписывают физику Арнольду Зоммерфельду , который в 1904 году назвал их «метачастицами». [8] [9] Билануик, Дешпанде и Сударшан обсуждали это совсем недавно в своей статье 1962 года по этой теме. [10] и в 1969 г. [11]
Возможность существования частиц со скоростью, превышающей скорость света, была также предложена Львом Яковлевичем Штрумом в 1923 году. [12]
сообщалось В сентябре 2011 года в крупном сообщении ЦЕРН , что тау-нейтрино двигалось быстрее скорости света; однако более поздние обновления CERN об эксперименте OPERA показывают, что показания со скоростью, превышающей скорость света, были вызваны неисправным элементом волоконно-оптической системы синхронизации эксперимента. [13]
Специальная теория относительности [ править ]
В специальной теории относительности частица, движущаяся быстрее скорости света, будет иметь подобные космическому: четыре импульса , [3] в отличие от обычных частиц, которые имеют времяподобный четырехимпульс . Хотя в некоторых теориях масса тахионов рассматривается как мнимая , в некоторых современных формулировках масса считается реальной. [14] [15] [16] с этой целью переопределяются формулы для импульса и энергии. Более того, поскольку тахионы ограничены пространственноподобной частью графика энергии-импульса, они не могут замедляться до субсветовых (то есть медленнее световых) скоростей. [3]
Массовый [ править ]
В лоренц-инвариантной теории те же формулы, которые применимы к обычным частицам, медленнее света (иногда называемым брадионами при обсуждении тахионов), также должны применяться и к тахионам. В частности, соотношение энергия-импульс :
(где p — релятивистский импульс брадиона, а m — его масса покоя ) по-прежнему должна 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-энергия покоя») и вклад от ее движения, кинетическую энергию. Когда (скорость частицы) больше, чем (скорость света), знаменатель в уравнении для энергии мнимый , так как значение под квадратным корнем отрицательное. 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, как чисто мнимая величина). число, разделенное на другое чисто мнимое число, является действительным числом).
В некоторых современных формулировках теории масса тахионов считается реальной. [14] [15] [16]
Скорость [ править ]
Один любопытный эффект заключается в том, что, в отличие от обычных частиц, скорость тахиона увеличивается по мере уменьшения его энергии. В частности, приближается к нулю, когда приближается к бесконечности. (Для обычной барионной материи увеличивается с увеличением скорости, становясь сколь угодно большим, если подходы , скорость света .) Следовательно, как брадионам запрещено преодолевать барьер скорости света, так и тахионам запрещено замедляться до значений ниже c , поскольку для достижения барьера сверху или снизу требуется бесконечная энергия.
Как отмечали Альберт Эйнштейн , Толман и другие, специальная теория относительности предполагает, что частицы, скорость которых превышает скорость света, если бы они существовали, могли бы использоваться для связи в обратном направлении во времени . [17]
Нейтрино [ править ]
В 1985 году Чодос предположил, что нейтрино могут иметь тахионную природу. [18] Возможность движения частиц стандартной модели со скоростью, превышающей скорость света, можно смоделировать с использованием условий, нарушающих лоренц-инвариантность , например, в Расширении стандартной модели . [19] [20] [21] В этой теории нейтрино испытывают колебания, нарушающие Лоренц, и могут двигаться быстрее света при высоких энергиях. Это предложение подверглось резкой критике. [22]
Сверхсветовая информация [ править ]
Если тахионы могут передавать информацию быстрее света, то, согласно теории относительности, они нарушают причинно-следственную связь, приводя к логическим парадоксам типа «убей собственного дедушку» . Это часто иллюстрируется мысленными экспериментами, такими как «парадокс тахионного телефона». [17] или «логически пагубный самоблокатор». [23]
Проблему можно понять с точки зрения относительности одновременности в специальной теории относительности, которая гласит, что разные инерциальные системы отсчета не могут прийти к согласию относительно того, произошли ли два события в разных местах «одновременно» или нет, а также они могут не согласиться относительно порядка событий. из двух событий. (Технически эти разногласия возникают, когда пространственно-временной интервал между событиями «пространственноподобен», что означает, что ни одно событие не находится 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 одновременность гарантирует, что все опорные кадры согласны с тем, что событие передачи произошло до события приема. [24] Однако в случае гипотетического сигнала, движущегося быстрее света, всегда будут некоторые кадры, 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 двигаться назад во времени в любой одной системе отсчета, это должно быть возможно и 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 отправляет ответ, который движется быстрее, чем свет в системе отсчета B, но назад во времени в системе отсчета A, может оказаться, что А получит ответ до того, как отправит исходный сигнал, ставя под сомнение причинно-следственную связь в каждом кадре и открывая дверь серьезным логическим парадоксам. [25] Это известно как тахионный антителефон .
Принцип реинтерпретации [ править ]
реинтерпретации Принцип [3] [10] [25] утверждает, что тахион, отправленный назад во времени, всегда можно интерпретировать как тахион, путешествующий вперед во времени, поскольку наблюдатели не могут различить излучение и поглощение тахионов. Попытка обнаружить тахион из будущего (и нарушить причинно-следственную связь) фактически создаст тот же самый тахион и отправит его вперед во времени (что является причинным).
Однако этот принцип не получил широкого признания как средство разрешения парадоксов. [17] [25] [26] Вместо этого, чтобы избежать парадоксов, необходимо было бы, чтобы, в отличие от любой известной частицы, тахионы никак не взаимодействовали и никогда не могли быть обнаружены или наблюдаемы, потому что в противном случае тахионный луч можно было бы промодулировать и использовать для создания антителефонного пучка. [17] или «логически пагубный самоблокатор». [23] Считается, что все формы энергии взаимодействуют, по крайней мере, гравитационно, и многие авторы утверждают, что сверхсветовое распространение в лоренц-инвариантных теориях всегда приводит к причинным парадоксам. [27] [28]
Фундаментальные модели [ править ]
В современной физике все фундаментальные частицы рассматриваются как возбуждения квантовых полей . Существует несколько различных способов включения тахионных частиц в теорию поля.
Поля с мнимой массой [ править ]
В статье, в которой был введен термин «тахион», Джеральд Файнберг изучал лоренц-инвариантные квантовые поля с мнимой массой . [3] Поскольку групповая скорость 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 нестабильность по отношению к тахионной конденсации , а все возбуждения поля распространяются субсветово и согласуются с причинностью. [29] Несмотря на отсутствие распространения со скоростью, превышающей скорость света, во многих источниках такие поля называют просто «тахионами». [5] [30] [31] [32] [2]
Тахионные поля играют важную роль в современной физике. Пожалуй, самым известным является бозон Хиггса Стандартной модели физики элементарных частиц , который имеет мнимую массу в несконденсированной фазе. Вообще явление спонтанного нарушения симметрии , тесно связанное с тахионной конденсацией, играет важную роль во многих аспектах теоретической физики, включая Гинзбурга-Ландау и БКШ теории сверхпроводимости . Другим примером тахионного поля является тахион теории бозонных струн . [30] [33]
Тахионы предсказываются теорией бозонных струн, а также секторами Неве-Шварца (NS) и NS-NS , которые представляют собой соответственно открытый бозонный сектор и закрытый бозонный сектор теории суперструн RNS до проекции ГСО . Однако такие тахионы невозможны из-за гипотезы Сена , также известной как конденсация тахионов . Это привело к необходимости создания проекции ГСО .
Лоренца нарушающие , Теории
В теориях, которые не соблюдают лоренц-инвариантность , скорость света не является (обязательно) барьером, и частицы могут двигаться быстрее скорости света без бесконечной энергии или причинных парадоксов. [27] Классом теорий поля этого типа являются 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 [ править ]
Изменяя кинетическую энергию поля, можно создать 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 обсуждаемыми выше вопросами причинности) и, вероятно, несовместимы с квантовой механикой.
В художественной литературе [ править ]
Тахионы появлялись во многих художественных произведениях. Они использовались в качестве резервного механизма, на который полагаются многие авторы научной фантастики для установления сверхсветовой связи, со ссылкой на вопросы причинности или без нее. Слово «тахион» получило широкое признание до такой степени, что может придавать научно-фантастический оттенок, даже если рассматриваемый предмет не имеет особого отношения к сверхсветовым путешествиям (разновидность техноболтовни , сродни позитронному мозгу ). [36]
См. также [ править ]
- Лоренц-нарушающие нейтринные осцилляции
- Массивная частица – брадион, он же тардион
- Безмассовая частица – люксон
- Ретропричинность
- Тахионный антителефон
- Виртуальная частица
- Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б
Типлер, Пол А.; Ллевеллин, Ральф А. (2008). Современная физика (5-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Freeman & Co., с. 54. ИСБН 978-0-7167-7550-8 .
... так что существование частиц v > c ... называемых тахионами ... поставило бы теорию относительности серьезными ... проблемами бесконечных энергий творения и парадоксов причинности.
- ^ Перейти обратно: а б с Рэндалл, Лиза (2005). Искаженные проходы: разгадка тайн скрытых измерений Вселенной . Харпер Коллинз. п. 286. ИСБН 9780060531089 .
Люди первоначально думали о тахионах как о частицах, движущихся со скоростью, превышающей скорость 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, встречающимися в природе.
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж
Фейнберг, Г. (1967). «Возможность частиц со скоростью, превышающей скорость света». Физический обзор . 159 (5): 1089–1105. Бибкод : 1967PhRv..159.1089F . дои : 10.1103/PhysRev.159.1089 .
Фейнберг, Г. (1978). «[название не указано]». Физический обзор D . 17 : 1651. doi : 10.1103/physrevd.17.1651 . - ^ Ахаронов Ю.; Комар, А.; Сасскинд, Л. (25 июня 1969 г.). «Сверхсветовое поведение, причинность и нестабильность» . Физический обзор . 182 (5): 1400–1403. Бибкод : 1969PhRv..182.1400A . дои : 10.1103/PhysRev.182.1400 .
- ^ Перейти обратно: а б Сен, Ашок (2002). «Катающийся тахион». Журнал физики высоких энергий . 2002 (4): 048. arXiv : hep-th/0203211 . Бибкод : 2002JHEP...04..048S . дои : 10.1088/1126-6708/2002/04/048 . S2CID 12023565 .
- ^ Фокс, Р.; Купер, К.Г.; Липсон, С.Г. (1970). «Групповые скорости быстрее света и нарушение причинности» . Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 316 (1527): 515–524. ISSN 0080-4630 .
- ^
Бенфорд, Грегори (6 июля 2013 г.). Старые легенды . п. 276.
Спустя годы он рассказал мне, что начал думать о тахионах, потому что его вдохновил рассказ Джеймса Блиша [1954] «Бип». В нем коммуникатор, скорость которого превышает скорость света, играет решающую роль в будущем обществе, но издает раздражающий финальный звуковой сигнал в конце каждого сообщения . Коммуникатор обязательно позволяет отправлять сигналы назад во времени, даже если вы этого не хотите. В конце концов персонажи обнаруживают, что все будущие сообщения сжимаются в этот звуковой сигнал, поэтому будущее становится известно более или менее случайно. Фейнберг намеревался проверить, возможен ли такой гаджет теоретически.
- ^ Зоммерфельд, А. (1904). «Упрощенный вывод поля и сил электрона, движущегося в любом заданном направлении». КНКЛ. акад. Ветенш . 7 : 345–367.
- ^ Дэвидсон, Марк П. (2001). «Тахионы, Кванты и Хаос». arXiv : Quant-ph/0103143 .
- ^ Перейти обратно: а б Биланюк О.-МП; Дешпанде, В.К.; Сударшан, ЭКГ (1962). « Метаотносительность». Американский журнал физики . 30 (10): 718. Бибкод : 1962AmJPh..30..718B . дои : 10.1119/1.1941773 .
- ^ Биланюк О.-МП; Сударшан, ЭКГ (1969). «Частицы за световым барьером». Физика сегодня . 22 (5): 43–51. Бибкод : 1969PhT....22e..43B . дои : 10.1063/1.3035574 .
- ^ Чащина, Ольга; Силагадзе, Зураб (13 апреля 2022 г.). «Относительность 4-когда-нибудь?» . Физика . 4 (2): 421–439. arXiv : 2107.10739 . дои : 10.3390/физика4020028 . ISSN 2624-8174 .
- ^ «Нейтрино, отправленные из ЦЕРН в Гран-Сассо, соблюдают космический предел скорости» (пресс-релиз). ЦЕРН . 8 июня 2012 года. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года . Проверено 8 июня 2012 года .
- ^ Перейти обратно: а б Реками, Э. (16 октября 2007 г.). «Классические тахионы и возможные приложения». Ривиста дель Нуово Чименто . 9 (6): 1–178. Бибкод : 1986NCimR...9e...1R . дои : 10.1007/BF02724327 . ISSN 1826-9850 . S2CID 120041976 .
- ^ Перейти обратно: а б Виейра, РС (2011). «Введение в теорию тахионов». Преподобный Брас. Энс. Фис . 34 (3). arXiv : 1112.4187 . Бибкод : 2011arXiv1112.4187V .
- ^ Перейти обратно: а б Хилл, Джеймс М.; Кокс, Барри Дж. (8 декабря 2012 г.). «Специальная теория относительности Эйнштейна за пределами скорости света» . Труды Королевского общества А. 468 (2148): 4174–4192. Бибкод : 2012RSPSA.468.4174H . дои : 10.1098/rspa.2012.0340 . ISSN 1364-5021 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Бенфорд, Г .; Книга, Д.; Ньюкомб, В. (1970). «Тахионный антителефон». Физический обзор D . 2 (2): 263–265. Бибкод : 1970PhRvD...2..263B . дои : 10.1103/PhysRevD.2.263 .
- ^ Чодос, А. (1985). «Нейтрино как тахион». Буквы по физике Б. 150 (6): 431–435. Бибкод : 1985PhLB..150..431C . дои : 10.1016/0370-2693(85)90460-5 . HDL : 2022/20737 .
- ^ Колладей, Д.; Костелецкий, В.А. (1997). «Нарушение CPT и Стандартная модель». Физический обзор D . 55 (11): 6760–6774. arXiv : hep-ph/9703464 . Бибкод : 1997PhRvD..55.6760C . дои : 10.1103/PhysRevD.55.6760 . S2CID 7651433 .
- ^ Колладей, Д.; Костелецкий, В.А. (1998). «Расширение стандартной модели, нарушающее Лоренц». Физический обзор D . 58 (11): 116002. arXiv : hep-ph/9809521 . Бибкод : 1998PhRvD..58k6002C . дои : 10.1103/PhysRevD.58.116002 . S2CID 4013391 .
- ^ Костелецкий, В.А. (2004). «Гравитация, нарушение Лоренца и Стандартная модель». Физический обзор D . 69 (10): 105009. arXiv : hep-th/0312310 . Бибкод : 2004PhRvD..69j5009K . дои : 10.1103/PhysRevD.69.105009 . S2CID 55185765 .
- ^ Хьюз, Ричард Дж.; Стивенсон, Дж.Дж. (1990). «Против тахионных нейтрино» . Буквы по физике Б. 244 (1): 95–100. Бибкод : 1990PhLB..244...95H . дои : 10.1016/0370-2693(90)90275-Б .
- ^ Перейти обратно: а б
Фицджеральд, П. (1970). «Тахионы, обратная причинность и свобода». Материалы двухгодичного собрания Ассоциации философии науки, том. 1970 год . Ассоциация философии науки, собрание, проводимое раз в два года 1970 года. ПСА. Том. 1970. стр. 425–426.
Более мощный аргумент в пользу того, что ретрокаузальные тахионы сопряжены с невыносимыми концептуальными трудностями, иллюстрируется «Случаем логически пагубного самоблокатора»…
- ^ Перейти обратно: а б Джаррелл, Марк. «Специальная теория относительности» (PDF) . Курс электродинамики, глава 11. Университет Цинциннати . стр. 7–11. Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2006 года . Проверено 27 октября 2006 г.
- ^ Перейти обратно: а б с
Грён, О.; Хервик, С. (2007). Общая теория относительности Эйнштейна: с современными приложениями в космологии . Спрингер . п. 39. ИСБН 978-0-387-69199-2.
Тахионный телефонный парадокс не может быть разрешен посредством принципа реинтерпретации.
- ^
Реками, Эрасмо; Фонтана, Флавио; Гаравалья, Роберто (2000). «Специальная теория относительности и сверхсветовые движения: обсуждение некоторых недавних экспериментов». Международный журнал современной физики А. 15 (18): 2793–2812. arXiv : 0709.2453 . дои : 10.1142/S0217751X00001403 .
возможно... разрешить также известные причинные парадоксы, разработанные для [опровержения] движения, «быстрее света», хотя это еще не получило широкого признания.
- ^ Перейти обратно: а б
Барсело, Карлос; Финацци, Стефано; Либерати, Стефано (2010). «О невозможности сверхсветовых путешествий: урок варп-двигателя». arXiv : 1001.4960 [ gr-qc ].
На самом деле любой механизм сверхсветовых путешествий можно легко превратить в машину времени и, следовательно, привести к типичным парадоксам причинности...
- ^ Перейти обратно: а б Адамс, Аллан ; Аркани-Хамед, Нима; Дубовский, Сергей; Николис, Альберто; Раттацци, Риккардо (2006). «Причинность, аналитичность и ИК-препятствие завершению УФ». Журнал физики высоких энергий . 2006 (10): 014. arXiv : hep-th/0602178 . Бибкод : 2006JHEP...10..014A . дои : 10.1088/1126-6708/2006/10/014 . S2CID 2956810 .
- ^ Перейти обратно: а б Ахаронов Ю.; Комар, А.; Сасскинд, Л. (1969). «Сверхсветовое поведение, причинность и нестабильность». Физ. Преподобный . 182 (5): 1400–1403. Бибкод : 1969PhRv..182.1400A . дои : 10.1103/PhysRev.182.1400 .
- ^ Перейти обратно: а б Грин, Брайан (2000). Элегантная Вселенная . Винтажные книги.
- ^ Кутасов, Давид; Мариньо, Маркос; Мур, Грегори (2000). «Некоторые точные результаты о тахионной конденсации в теории струнного поля». Журнал физики высоких энергий . 2000 (10): 045. arXiv : hep-th/0009148 . Бибкод : 2000JHEP...10..045K . дои : 10.1088/1126-6708/2000/10/045 . S2CID 15664546 .
- ^ Гиббонс, GW (13 июня 2002 г.). «Космологическая эволюция катящегося тахиона». Буквы по физике Б. 537 (1–2): 1–4. arXiv : hep-th/0204008 . Бибкод : 2002PhLB..537....1G . дои : 10.1016/S0370-2693(02)01881-6 . S2CID 119487619 .
- ^ Полчински, Дж. (1998). "Струнная теория" . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (19). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета : 11039–11040. Бибкод : 1998PNAS...9511039G . дои : 10.1073/pnas.95.19.11039 . ПМК 33894 . ПМИД 9736684 .
- ^ Глэшоу, Шелдон Ли (2004). «Ограничения атмосферных нейтрино при нарушении Лоренца». arXiv : hep-ph/0407087 .
- ^ Коулман, Сидни Р. и Глэшоу, Шелдон Л. (1999). «Высокоэнергетические тесты лоренц-инвариантности». Физический обзор D . 59 (11): 116008. arXiv : hep-ph/9812418 . Бибкод : 1999PhRvD..59k6008C . дои : 10.1103/PhysRevD.59.116008 . S2CID 1273409 .
- ^ Вагстафф, Кейт (15 июля 2018 г.). «Наука, лежащая в основе техноболтовни Звездного пути » . Машаемый . Проверено 12 февраля 2021 г.
Внешние ссылки [ править ]
- «Часто задаваемые вопросы о скорости сверхсветовой (FTL)» . Университет штата Айова . Архивировано из оригинала 21 ноября 2000 года.
- Вайсштейн, Эрик Вольфганг (ред.). «Тахион» . Мир Науки .
- «Тахионы» . Математика. Часто задаваемые вопросы по физике / Частичные и ядерные частицы. Риверсайд, Калифорния: Калифорнийский университет .
