Tachyon - Tachyon

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Tachyon
Tachyon04s.gif
Protože by tachyon vždy cestoval rychleji než světlo, nebylo by možné vidět, jak se blíží. Poté, co poblíž prošel tachyon, mohl pozorovatel vidět dva jeho obrazy, které se objevovaly a odcházely v opačných směrech. Tento efekt dvojitého obrazu je nejvýraznější u pozorovatele umístěného přímo v dráze superluminálního objektu (v tomto případě se jedná o kouli zobrazenou v průhledné šedé). Protože tachyon přichází před světlem, pozorovatel nic nevidí, dokud koule již neprošla, načež (z pohledu pozorovatele) se obraz zdá být rozdělen na dva - jeden z přicházející sféry (vpravo) a jeden z odcházejícího koule (vlevo).
Klasifikace Elementární částice
Postavení hypotetický
Teoretizoval 1967

Tachyon ( / t Æ k i ɒ n / ), nebo tachyonic částice je hypotetická částice , které se vždy pohybuje rychleji než světlo . Většina fyziků věří, že částice rychlejší než světlo nemohou existovat, protože nejsou v souladu se známými fyzikálními zákony. Pokud by takové částice existovaly a dokázaly by vysílat signály rychleji než světlo, pak by podle teorie relativity porušily kauzalitu , což by vedlo k logickým paradoxům, jako je paradox dědečka . Tachyony by také vykazovaly neobvyklou vlastnost zvyšování rychlosti při snižování jejich energie a vyžadovaly by nekonečnou energii ke zpomalení na rychlost světla. Nebyly nalezeny žádné experimentální důkazy o existenci takových částic.

V článku z roku 1967, který tento termín vytvořil, Gerald Feinberg navrhl, že tachyonické částice lze vyrobit z excitací kvantového pole s imaginární hmotou. Brzy se však zjistilo, že Feinbergův model ve skutečnosti neumožňoval superluminální (rychlejší než světlo) rychlosti. V moderní fyzice však termín tachyon často označuje spíše imaginární hmotnostní pole než částice rychlejší než světlo. Taková pole začala hrát významnou roli v moderní fyzice .

Termín pochází z řečtiny : ταχύ , tachy , což znamená rychlý . Doplňkové typy částic se nazývají luxony (které se vždy pohybují rychlostí světla ) a bradyony (které se vždy pohybují pomaleji než světlo); je známo, že oba tyto typy částic existují.


Dějiny

Termín tachyon vytvořil Gerald Feinberg v článku z roku 1967 s názvem „Možnost částic rychlejších než světlo“. Inspiroval se sci-fi příběhem „Beep“ od Jamese Blishe . Feinberg studoval kinematiku takových částic podle speciální relativity . Ve svém příspěvku také představil pole s imaginární hmotností (nyní také označované jako tachyony) ve snaze porozumět mikrofyzickému původu, který takové částice mohou mít.

První hypotéza týkající se částic rychlejších než světlo je někdy přičítána německému fyziku Arnoldu Sommerfeldovi v roce 1904, který je pojmenoval „meta-částice“. Novější diskuse se odehrály v letech 1962 a 1969.

V září 2011 bylo oznámeno, že tau neutrino cestovalo rychleji než rychlost světla v hlavní verzi CERN; Pozdější aktualizace z CERNu na projektu OPERA však naznačují, že odečty rychlejší než světlo byly způsobeny vadným prvkem experimentálního časovacího systému optických vláken.

Tachyony v relativitě

Ve speciální relativitě , rychlejší než světlo částice bude mít prostor jako čtyři-hybnost , na rozdíl od běžných částic, které mají časově jako čtyři-hybnost . Ačkoli v některých teoriích je hmotnost tachyonů považována za imaginární , v některých moderních formulacích je hmotnost považována za skutečnou, vzorce hybnosti a energie jsou za tímto účelem předefinovány. Navíc, protože tachyony jsou omezeny na prostorově podobnou část grafu energie-hybnost, nemohly zpomalit na subluminální (což znamená pomalejší než světlo) rychlosti.

Hmotnost

V Lorentzově invariantní teorii musí stejné vzorce, které platí pro běžné částice pomalejší než světlo (někdy v diskusích o tachyonech nazývané „ bradyony “), platit také pro tachyony. Zejména vztah energie a hybnosti :

(kde p je relativistická hybnost na bradyon a m je jeho klidová hmotnost ) by stále platí, spolu s vzorci pro celkové energie částice:

Tato rovnice ukazuje, že celková energie částice (bradyon nebo tachyon) obsahuje příspěvek z její klidové hmotnosti („klidová hmotnost – energie“) a příspěvek z jejího pohybu, kinetickou energii. Když je (rychlost částice) větší než (rychlost světla), je jmenovatel v rovnici pro energii imaginární , protože hodnota pod druhou odmocninou je záporná. Protože celková energie částice musí být skutečná (a ne komplexní nebo imaginární číslo), aby měla jako měření jakýkoli praktický význam, musí být čitatel také imaginární: tj. Zbytek hmotnosti m musí být imaginární, jako čistě imaginární číslo děleno jiným čistým imaginárním číslem je skutečné číslo.

V některých moderních formulacích teorie je hmotnost tachyonů považována za skutečnou.

Rychlost

Jeden kuriózní efekt je, že na rozdíl od běžných částic se rychlost tachyonu zvyšuje, protože jeho energie klesá. Zejména se blíží nule, když se blíží nekonečnu. (U běžné bradyonické hmoty se zvyšuje s rostoucí rychlostí, s přiblížením je libovolně velká , rychlost světla ). Proto, stejně jako je bradyonům zakázáno prolomit bariéru rychlosti světla, je také zakázáno zpomalovat tachyony pod c , protože k dosažení bariéry buď shora nebo zdola je zapotřebí nekonečná energie.

Jak poznamenali Albert Einstein , Tolman a další, speciální relativita znamená, že pokud by částice rychleji než světlo existovaly, mohly by být použity ke zpětné komunikaci v čase .

Neutrina

V roce 1985 Chodos navrhl, aby neutrina mohla mít tachyonickou povahu. Možnost pohybu standardních modelových částic rychlostí vyšší než světlo lze modelovat pomocí Lorentzových invariance porušujících podmínek, například v rozšíření Standard-Model Extension . V tomto rámci neutrina zažívají Lorentzovo rušivé oscilace a při vysokých energiích mohou cestovat rychleji než světlo. Tento návrh byl silně kritizován.

Čerenkovovo záření

Tachyon s elektrickým nábojem by ztratil energii jako Čerenkovovo záření - stejně jako to dělají běžné nabité částice, když v médiu překročí místní rychlost světla (jiné než tvrdé vakuum). Nabitý tachyon cestující ve vakuu proto prochází neustálým řádným časovým zrychlením a podle potřeby vytváří jeho světová linie v časoprostoru hyperbolu . Snížení energie tachyonu však zvyšuje jeho rychlost, takže vytvořená jediná hyperbola je ze dvou opačně nabitých tachyonů s opačnými hybnostmi (stejná velikost, opačné znaménko), které se navzájem zničí, když současně dosáhnou nekonečné rychlosti na stejném místě v prostoru. (Při nekonečné rychlosti nemají oba tachyony žádnou energii a konečnou hybnost opačného směru, takže při jejich vzájemné anihilaci nejsou porušovány žádné zákony zachování. Čas anihilace závisí na snímku .)

I od elektricky neutrálního tachyonu by se očekávalo, že ztratí energii prostřednictvím gravitačního Cherenkovova záření (pokud gravitony nejsou samy tachyony ), protože má gravitační hmotnost, a proto se při cestování zvyšuje, jak je popsáno výše. Pokud tachyon interaguje s jinými částicemi, může do těchto částic také vyzařovat energii Čerenkova. Neutrina interagují s ostatními částicemi standardního modelu a Andrew Cohen a Sheldon Glashow toho využili k tvrzení, že anomálii neutrina rychlejší než světlo roku 2011 nelze vysvětlit tím, že se neutrina šíří rychleji než světlo, a místo toho musí být způsobena chybou v experimentu. Další zkoumání experimentu ukázalo, že výsledky byly skutečně mylné.

Kauzalita

Časoprostorový diagram ukazující, že pohyb rychleji než světlo znamená cestování časem v kontextu speciální relativity . Vesmírná loď odlétá ze Země z bodu A do bodu C pomaleji než světlo. V bodě B Země vysílá tachyon, který se v referenčním rámci Země pohybuje rychleji než světlo, ale vpřed v čase. Dosáhne kosmické lodi na C. Kosmická loď pak pošle další tachyon zpět na Zemi z C do D. Tento tachyon také cestuje časem v referenčním rámci kosmické lodi. To efektivně umožňuje Zemi vyslat signál z B do D, zpět v čase.

Kauzalita je základní fyzikální princip. Pokud tachyony dokážou přenášet informace rychleji než světlo, pak podle relativity narušují kauzalitu, což vede k logickým paradoxům typu „zabij vlastního dědečka“ . To je často ilustrováno myšlenkovými experimenty, jako je „paradox tachyonového telefonu“ nebo „logicky zhoubný vlastní inhibitor“.

Problém lze chápat z hlediska relativity simultánnosti ve speciální relativitě, která říká, že různé setrvačné referenční rámce se neshodnou v tom, zda ke dvěma událostem na různých místech došlo „současně“ nebo ne, a také se mohou neshodnout na pořadí dvou událostí (technicky se tyto neshody vyskytují, když je časoprostorový interval mezi událostmi „prostorový“, což znamená, že ani jedna událost nespočívá v budoucím světelném kuželu té druhé).

Pokud jedna ze dvou událostí představuje odeslání signálu z jednoho místa a druhá událost představuje příjem stejného signálu na jiném místě, pak dokud se signál pohybuje rychlostí světla nebo pomaleji, matematika simultánnosti zajišťuje, že všechny referenční rámce souhlasí s tím, že k přenosové události došlo před událostí příjmu. V případě hypotetického signálu pohybujícího se rychleji než světlo by však vždy existovaly nějaké rámce, ve kterých byl signál přijat před odesláním, takže by se dalo říci, že se signál v čase posunul zpět. Protože jeden ze dvou základních postulátů speciální relativity říká, že fyzikální zákony by měly fungovat stejným způsobem v každém setrvačném rámci, pokud je možné, aby se signály pohybovaly v čase zpět v jakémkoli jednom rámci, musí to být možné ve všech rámcích. To znamená, že pokud pozorovatel A odešle signál pozorovateli B, který se pohybuje rychleji než světlo v rámečku A, ale zpět v čase v rámci B, a pak B odešle odpověď, která se pohybuje rychleji než světlo v rámečku B, ale zpětně v čase v rámci A, mohlo by to přijít na to, že A přijme odpověď před odesláním původního signálu, což zpochybní kauzalitu v každém rámci a otevře dveře závažným logickým paradoxům. Toto je známé jako tachyonický antitelefon .

Princip reinterpretace

Princip reinterpretace tvrdí, že tachyon odeslaný zpět v čase může být vždy interpretován jako tachyon cestující vpřed v čase, protože pozorovatelé nemohou rozlišovat mezi emisí a absorpcí tachyonů. Pokus o detekci tachyonu z budoucnosti (a porušení kauzality) by ve skutečnosti vytvořil stejný tachyon a odeslal jej v čase (což je příčinné) dopředu .

Tento princip však není široce přijímán jako řešení paradoxů. Místo toho by bylo nutné vyhnout se paradoxům, že na rozdíl od jakékoli známé částice, tachyony nijak neinteragují a nemohou být nikdy detekovány ani pozorovány, protože jinak by mohl být tachyonový paprsek modulován a použit k vytvoření antielefonu nebo „ logicky zhoubný vlastní inhibitor “. Předpokládá se, že všechny formy energie interagují alespoň gravitačně a mnoho autorů uvádí, že superluminální šíření v Lorentzových invariantních teoriích vždy vede k kauzálním paradoxům.

Základní modely

V moderní fyzice jsou všechny základní částice považovány za excitace kvantových polí . Existuje několik odlišných způsobů, kterými by mohly být tachyonické částice začleněny do teorie pole.

Pole s imaginární hmotou

V článku, který vytvořil termín „tachyon“, Gerald Feinberg studoval Lorentzova invariantní kvantová pole s imaginární hmotností. Protože rychlost skupiny pro takové pole je nadsvětelná, naivně se zdá, že se její buzení šíří rychleji než světlo. Bylo však rychle pochopeno, že nadsvětelná skupinová rychlost neodpovídá rychlosti šíření jakéhokoli lokalizovaného buzení (jako částice). Místo toho, negativní hmota představuje nestabilitu na tachyonového kondenzaci , a všechny excitace pole se šíří subluminally a jsou v souladu s příčinné souvislosti . Navzdory tomu, že se tato pole nešíří rychleji než světlo, jsou v mnoha zdrojích označována jednoduše jako „tachyony“.

Tachyonická pole hrají důležitou roli v moderní fyzice. Snad nejznámější je Higgs boson ze standardního modelu částicové fyziky , který má imaginární hmotu ve své nekondenzované fázi. Obecně platí, že fenomén spontánního narušení symetrie , který úzce souvisí s tachyonovou kondenzací, hraje důležitou roli v mnoha aspektech teoretické fyziky, včetně Ginzburg – Landau a BCS teorií supravodivosti. Dalším příkladem tachyonického pole je tachyon bosonické teorie strun .

Tachyony jsou předpovídány bosonickou teorií strun a také sektory Neveu-Schwarz (NS) a NS-NS, což jsou otevřený bosonický sektor a uzavřený bosonický sektor, teorie superstrun RNS před projekcí GSO . Takové tachyony však nejsou možné kvůli Senově domněnce, známé také jako tachyonová kondenzace. Z toho vyplynula nutnost projekce GSO.

Lorentz-porušující teorie

V teoriích, které nerespektují Lorentzovu invarianci , rychlost světla není (nutně) bariérou a částice mohou cestovat rychleji než rychlost světla bez nekonečné energie nebo kauzálních paradoxů. Třídou polních teorií tohoto typu jsou takzvaná rozšíření standardního modelu . Experimentální důkazy o Lorentzově invariance jsou však velmi dobré, takže takové teorie jsou velmi přísně omezené.

Pole s nekanonickým kinetickým termínem

Modifikací kinetické energie pole je možné vytvářet Lorentzovy invariantní teorie pole s excitacemi, které se šíří superluminálně. Takové teorie však obecně nemají přesně definovaný Cauchyův problém (z důvodů souvisejících s výše popsanými problémy kauzality) a jsou pravděpodobně nekonzistentní kvantově mechanicky.

Ve fikci

Tachyony se objevily v mnoha beletristických dílech. Byly použity jako záložní mechanismus, na který se spoléhá řada autorů sci-fi k navázání komunikace rychlejší než světlo , s odkazem na kauzální problémy nebo bez nich. Slovo tachyon se stalo široce uznávaným do té míry, že může předávat vědecko-fantastickou konotaci, i když dotyčný subjekt nemá žádný zvláštní vztah k nadsvětelnému cestování (forma technobabble , podobná pozitronickému mozku ).

Viz také

Poznámky pod čarou

Reference

externí odkazy