Tahion — hipotetični delci hitrejši od svetlobe in imaginarna masa

Tahion je hipotetični delec, ki lahko potuje hitreje od svetlobne hitrosti. Izraz "tahion" je leta 1967 skoval Gerald Feinberg; osnovna ideja delcev, ki bi bili vedno nad svetlobno hitrostjo, pa se je v fiziki pojavljala že prej (Bilaniuk, Deshpande in Sudarshan so o podobnih konceptih pisali v zgodnjih šestdesetih).

Osnovne lastnosti in matematična predstavitev

V okviru relativistične fizike se energija in gibalna količina delca povezujejo z enačbo E² = p²c² + m²c⁴. Če ima delec klasično realno maso m, ta člen prispeva pozitivno. Za tahione pa bi bila kvadratna masa negativna (pogosto rečeno: masa je imaginarno število ali m² < 0). To pomeni, da se pri vstavitvi m = iμ dobi E² = p²c² − μ²c⁴, kar omogoča rešitve z vektorskimi hitrostmi v > c.

Posledice te matematične strukture so nenavadne: tahioni ne morejo upočasniti do hitrosti c (svetlobne hitrosti); njihova hitrost se z naraščajočo energijo približuje c od zgoraj, pri zelo majhni energiji pa bi lahko imeli zelo velike hitrosti. Prav tako za tahione veljajo zahteve, da je p²c² > μ²c⁴, da je energija realna.

Problemi s kauzalnostjo in stabilnostjo

Glavni teoretični problem tahionov je kršitev kauzalnosti: če bi bilo mogoče pošiljati informacije s hitrostjo večjo od c, bi se z ukrepanjem v nekaterih inercijskih referenčnih okvirih lahko povzročile časovne zanke (učinki, ki bi nastopili pred vzrokom). Delni poskusi reševanja te težave vključujejo takozvano reinterpretacijsko načelo (kjer se rešitve, ki se zdijo da potujejo nazaj v času, interpretirajo kot antipartikel, ki potuje naprej v času), vendar ta pristop pri tahionih ne odpravi vseh paradoksov.

Poleg tega v kvantnih poljih negativna (torej "tahionska") masa pogosto pomeni, da je vakuumsko stanje nestabilno — namesto da gre za trajne delce, takšna masa nakazuje, da se polje nagiba k preureditvi stanja vakuuma (t. i. kondenzaciji), kar vodi v novo stabilno konfiguracijo brez dejanskih prostih tahionskih delcev.

Vloga v sodobni fiziki

V sodobni fiziki se izraz "tahion" pogosto uporablja za opis tahionskih načinov ali tahionskih mas v teorijah polj, kar običajno ne pomeni obstoj realnih delcev, ki bi potovali hitreje od svetlobe, temveč opozarja na nestabilnost trenutnega vakuuma ali simetrije. Pomembni primeri:

• Higgsov mehanizem: v začetnih formulacijah potenciala Higgsovega polja se pojavlja negativni kvadrat mase, kar izgleda kot "tahionska" masa; to vodi k spontani simetrijski porušitvi in pojavu realnih masivnih ekscitacij okoli novega vakuuma.
• String teorija: v nekaterih različicah začetne konfiguracije (npr. pri nekaterih nezavarovanih vakuumih ali neustreznih D‑branah) se pojavijo tahionski načini; njihov propad (tahionska kondenzacija) pogosto pomeni, da sistem preide v stabilnejšo konfiguracijo brez teh načinov.

Eksperimentalne iskanja in OPERA

Večina današnjih fizikov ne pričakuje obstojnih lahkih delcev, ki bi dejansko potovali hitreje od svetlobe, in za zdaj ni prepričljivih eksperimentalnih dokazov o takšnih delcih. Poročila o navideznih superluminalnih hitrostih običajno izvirajo iz merilnih napak ali napačne interpretacije rezultatov.

Septembra 2011 je CERN v pomembni objavi poročal o rezultatu eksperimenta OPERA, ki je nakazal, da je tau nevtrino potoval hitreje od svetlobne hitrosti. (Za jasno informacijo: eksperiment OPERA je meril žarek muonovih nevtrinov, pri čemer je izvor nesporazuma v zgodnjih poročilih včasih napačno omenjal tipe; ključna točka je bila trditev o superluminalni hitrosti nevtrinov.) Kasnejše preiskave so pokazale, da so bili odčitki, hitrejši od svetlobe, posledica tehničnih napak — predvsem slabo pritrjene optične priključke v merilnem sistemu in napake v oscilatorju — in izid je bil popravljan. V opisanem poročilu CERN navaja, da so bili rezultati posledica "okvarjenega elementa optičnega sistema za merjenje časa eksperimenta".

Sklep

Tahioni kot realni delci, ki bi prenašali informacije hitreje od svetlobe, ostajajo v glavnem hipotetični in problematični zaradi kršitev kauzalnosti in pomanjkanja eksperimentalnih dokazov. Kljub temu je koncept pomemben v teoretični fiziki: pojavljanje negativnih kvadratov mase kot signal nestabilnosti vakuuma je ključna ideja pri mehanizmih spontane porušitve simetrije in pri razumevanju procesa kondenzacije v teorijah polj in v teoriji strun.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je tahion?

V: Ali večina znanstvenikov verjame, da tahioni obstajajo?

V: Kaj navaja Einsteinova posebna teorija relativnosti?

V: Kako po teoriji potujejo tahioni?

V: Če bi tahion obstajal, kakšna bi bila njegova masa?

V: Ali je mogoče, da karkoli potuje hitreje od svetlobne hitrosti?

Išči po črki