Тахионите – акушерите на Вселената

От Специалната теория на относителността на Айнщайн знаем, че нищо не може да върви по-бързо от светлината. И колкото повече се приближаваме до тази граница, толкова повече ще се сблъскваме със странни явления като скъсяване на дължините и забавяне на времето.

Но някои физици предполагат, че ако има начин да се надхвърли тази граница, ще попаднем в един удивителен и някак си огледален свят, в който ще са разменени местата на осите на време и пространство в диаграмата на Минковски и където скоростта на светлината е долната граница на скоростта на материалните тела, наречени тахиони.

До 60-те години на ХХ в. се е смятало за безсмислено да се обсъжда движение със свръхсветлинна скорост. Но във физиката няма "свещени крави" и един индийски учен, Джордж Сударшан (George Sudarshan) за първи път предположил възможността за съществуването на тахионите - частици, движещи се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината и доказал, че това не противоречи на теорията на относителността.

Невъзможно е да се забави тахион до скоростта на светлината

Един лесен начин да се изведе тахиона от формулите на специалната теории на относителността е да се положи масата като имагинерна величина ( m = i.m₀ или m² < 0 ) във формулата за енергията, която за да бъде реална е необходимо v > c, т.е. получаваме тахион, частица, движеща се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината.

При забавяне на такава частица, се увеличава енергията й, а ако се забави до скоростта на светлината, енергията й ще се увеличава безкрайно. Това означава, че е невъзможно да се забави тахиона до скоростта на светлината, както е невъзможно обикновена масивна частица да достигне скоростта на светлината.

Свръхсветлинните частици притежават много непривични за нас свойства. За нас е естествено една частица ако губи енергия да забави движението си. При тахионите е обратното: губейки енергия, той се ускорява. Когато скоростта на тахиона стане значително по-голяма от скоростта на светлината, при v → ∞, енергията му може да стане нула, E = 0, но импулсът ще остане краен .и различен от нула: p → m₀c. Може да се каже, че тахионът с безкрайно голяма скорост може да се намери във всяка точка от траекторията му, аналогично на това, както във квантовата механика частица с нулева скорост може да се намери във всяка пространствена точка x.

Интересно е, че енергията на тахионите може да стане отрицателна само чрез прост преход от една координатна система към друга, която се движи със скорост u по-малка от скоростта на светлината .

, където , p е импулс, v=p.c/E - скоростта на тахиона в старата координатна система.

Ако uv > c², то E и E' ще имат различни знаци. Възможността енергията на тахиона да е отрицателна означава, че всяка физическа система би била нестабилна.

Тахионното поле

Тахионът е частица, която е резултат на квантуването на тахионното поле - обикновено скаларно поле, при което квадрата на масата е отрицателен.

Спонтанното нарушаване на симетрията

Тахионното поле се използва, за да опише спонтанното нарушаване на симетрията, подобно на топка на върха на сомбреро.

Представете си гладка повърхност под формата на мексиканска шапка - сомбреро, а на върха й - топче. Тази система има осева симетрия, но е неустойчива и под влиянието на произволно малко смущение, топчето ще падне в полите на шапката. Това ново положение на топчето е устойчиво, тъй като то съответства на минимума потенциална енергия в гравитационното поле на Земята. Устойчивостта е заплатена със спонтанно нарушаване на симетрията.

Много малко локално смущение, което винаги може да се случи, поради квантовите флуктуации, ще доведе полето до състояние "да се търколи" надолу с експоненциално нарастващи амплитуди и да предизвика тахионна кондензация. След като тахионното поле достигне минимума на потенциала, неговите кванти няма да са повече тахиони, а по-скоро ще имат положителен квадрат на масата подобно на Хигс-частицата.

Масата на квадрат е втората производна на потенциалната енергия, в точка, където първата производна е нула. За тахионното поле втората производна е отрицателна, което означава, че потенциалната енергия е с локален максимум, а не локален минимум. Затова ситуацията е нестабилна и полето се търкаля надолу към друга точка, като спира чак на локалния минимум, където неговите кванти имат вече неотрицателен квадрат на масата, т.е. не са тахиони повече.

Тахионните полета играят много важна роля в съвременната физика. Може би най-известният пример е Хигс бозонът от Стандартния модел. В некондензирана фаза, полето Хигс има отрицателен квадрат на масата и затова е тахионно. Друг пример за спонтанно нарушаване на симетрията е инфлационното поле в някои модели за космическа инфлация и теорията на бозонните струни.

Тахионна кондензация

Тахионната кондензация е процес, при който тахионното поле поражда кондензат, достигайки минимум потенциална енергия. Въпреки, че полето е нестабилно около началната точка с максимален потенциал, то придобива неотрицателна маса и става стабилно около минимума. Тахионната кондензация води системата до стабилно състояние, в което няма тахиони.

Прост пример за тахионна кондензация е механизмът Хигс, при който спонтанно се нарушава електрослабата симетрия.

Симетрията между тардионите и тахионите или от двете страни на светлината

Съвременните варианти на разширената теория на относителността (РТО) се основават на факта, че скоростта на светлината е фундаментална константа, но "светлинната бариера" само изключва причинно-следствената връзка между досветлинните и свръхсветлинните тела, разделяйки ги на тардиони или брадиони (от гр. βραδύς - "бавен") и тахиони (от гр. ταχύς - "бърз"). А безмасовите частици, които се движат със скоростта на светлината се наричат луксони. Такива са калибровъчните бозони: фотоните (носители на електромагнитните сили) и глуоните (носители на силните взаимодействия).

В пространство-времевата равнина на Минковски време и пространство за равноправни в геометричен смисъл и в следните двумерни диаграми на Минковски тардионите и тахионите са симетрични по отношение на оста на луксоните. Тези диаграми ще ви покажат нагледно защо и свойствата на тахионите са огледални спрямо тардионите.

Графиката представя импулса р по оста х и енергията E по ординатата y. Двете жълти линии показват светлинния конус - в четиримерното пространство-време, това би било "хиперконус" - случай, когато E = ± р. Областта над и под двете линии е "времеподобна", а вляво и вдясно -"пространственоподобна". Това е познатата ни диаграма на Минковски.

За "реални" частици или тардиони, решенията на уравнението E2 = c2 p2 + c4 m2 са хиперболични криви, дадени в синьо. Кривата пресича оста E в E = m c2

Уравнението E2 = c2 p2 + c4 m2 , за тахионите (m2 <0 - те имат имагинерна маса) решенията са също хиперболични криви, но завъртяни в "пространственоподобната" област на графиката. В червената област на тахионите енергията им е E < 0 . Вижда се и че със загубата енергия, в отрицателната област на E, се увеличава импулса на тахионите.

В надсветлинни отправни системи

Интересно е как биха изглеждали тахионите спрямо отправни системи K*, движещи се със свръхсветлинна скорост V*. Оказва се, че Лоренцовите трансформации преобразуват времеподобните вектори в пространственоподобни и обратно. В частност, пространственоподобният 4-мерен импулс на тахиона в K при преход в K* става времеподобен.

Картина на Jacek Yerka

При Лоренцовите трансформации се появява и инверсия на времето - времето в K* тече в противоположна посока спрямо тази в K. Същото важи и за пространсвените интервали.

Скоростта на тахиона, която е v > c в система K, за наблюдател в K* става по-малка от c. Формулите показват, че ако една частица е тахион или луксон в K, то спрямо система K* (движеща се с надсветлинна скорост V* > c) ще бъде брадион или луксон и обратно - ако частицата има скорост v ≤ c , т.е. е брадион или луксон в K, то тя ще е тахион или луксон в K*. Това означава, че брадионите (тардионите) са огледално симетрични с тахионите - при тези трансформации тахионите и брадионите си сменят местата, а луксоните си остават луксони. Това означава, че за наблюдателите в K* нашият свят на досветлинни скорости ще изглежда както изглежда на наблюдателите в K (на нас) техния свръхсветлинен свят.

Как изглежда тахион

Ето как би ни изглеждал един сферичен тахион, ако можеше да отразява светлината.

Тахион. Илюстрация: wikipedia

Подобно на самолетите, които летят по-бързо от звука и изпреварват своя шум, тахионите се движат по-бързо от светлината и по този начин изпреварват своето оптично изображение 

Когато премине през най-близката точка от траекторията си покрай наблюдателя, последният ще види внезапно изникнал обект да се разделя на два отдалечаващи се един от друг обекта - единият от тях се приближава до наблюдателя и след това се отдалечава, движейки се в посока, съвпадаща с реалната на обекта, а вторият обект се движи назад, като промените на обекта се наблюдават развиващи се обратно във времето.

Черната линия е ударната вълна на лъчението на Черенков под ъгъл, съответстващ на ъгъла на конуса, когато обектът става видим. Ефект на Черенков е аналогичен на преминаването на звуковата бариера, което предизвиква звукови ударни вълни, а ефектът на Черенков - ударни светлинни вълни.

Анимацията е на wikimedia с добавени функционалности

Обектът горе е синкав заради синьото отместване на Доплеровия ефект - обектът се приближава към наблюдателя, който се намира на върха на черната линия, а левият обект е с червеникав цвят, който се формира от червеното Доплерово отместване на светлината, защото се отдалечава от наблюдателя.

Проблемите с причинността

Ако вложим v > c във формулите за Лоренцовите трансформации, ще забележим, че знаменателите стават имагинерни. Принципът за причинността изисква причината да предхожда следствието, а заради граничната скорост за подаване на сигнали - скоростта на светлината, то надвишаването й би довело до възможността бъдещето да влияе на миналото, примки във времето и други логически парадокси. Съществуването на тахионите няма противоречие с математиката на теорията на относителността - проблемите са по-скоро с принципа на причинността.

Принцип на превключването и реинтерпретацията

Ако в отправна система K в момент t₁ се излъчи тахион в точка x₁ със скорост v , а после този тахион се погълне в момент t₂ > t₁ в точка x ₂ , поради факта, че тахионите са частици, движещи се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината, може да се получи такава скорост V , че в друга отправна система K', поглъщането (абсорбирането) на тахиона да стане преди излъчването (емитирането), т.е. да се наруши принципа за причинността.

Това нарушение става когато Δt'/ Δt <0 или при c > V > c²/v . В системата K' при c > V > c²/v абсорберът да стане емитер. а емитерът - абсорбер. Това се нарича принцип на превключването.

Картина на Jacek Yerka

С други думи: Наблюдателят в система K', който вижда частица с отрицателна енергия, която се движи назад във времето от т.A към т.B , трябва да счита, че вижда частица с положителна енергия, излъчвана в момент t₁ в т.B, която се движи напред във времето към т.A. Така в K' няма да се наблюдават никакви нарушения на причинността.

Възможността за отрицателна енергия дава възможност за "реинтерпретация" (преосмисляне) на проблема с причинно-следствената зависимост при свръхсветлинните скорости. Файнбърг смята, че събитието да се изпуска частица с енергия E > 0 е еквивалентно на поглъщане на частица с отрицателна енергия E < 0. По този начин се избягва проблема с нарушаването причинно-следствената връзка. Tова означава и че тахиопите не могат да се използват като физически сигнали.  

Принципът за реинтерпретацията не е широко приет като начин за разрешаването на парадокса. Вместо това, се приема, че за разлика от всички известни частици, тахионите не си взаимодействат по никакъв начин и никога не може да бъдат открити или наблюдавани.

Картина на Jacek Yerka

Други смятат, че изискването тахионното поле въобще да не може да предава информация е твърде строго. Всъщност строга е само невъзможността за предаване на информация по-бързо от светлината. Възможно е у тахионните полета да съществуват както възбуждания, които да се движат по-бързо от светлината, които не могат да пренасят информация, така и движещи се по-бавно от светлината, които могат да пренасят информация.

Но защо да изключваме възможността за съществуването на съвсем нова област явления, за които хронологичния ред на причинно-следствените връзки да нямат определено значение, инвариантно по отношение на избора на отправна система. След като се установи загубата на P-, CP- и T-симетриите при разпадите на мезоните, защо да не се наруши и причинността?

Квантовата теория на полето и тахионите

В квантовата теория на полето вакуумът не е просто празно място, а среда, в която непрекъснато се раждат и анихилират виртуални двойки от частици и античастици. Ако във вакуума на квантовата теория на полето има тахиони, той става нестабилен. Както казахме по-горе: колкото по-висока е скоростта на един тахион, толкова по-ниска е енергията му и затова за вакуума е енергетически по-изгодно да се разпадне на тахиони, които пък могат да се самоускоряват без да им действа сила.

Тахионите може би са акуширали при раждането на нашата Вселена

Има една интересна хипотеза за тахионите, според която те може би вече не съществуват, но са съществували в мига на Големия взрив, играейки изключително важна роля в предизвикването на „взривяването“ на Вселената.

Картина на Jacek Yerka

Тахионите имат едно особено свойство - те дестабилизират „вакуума“, т.е. най-ниското енергийно състояние на една система, защото могат да имат стойности и на отрицателна енергия.

Представете си бент, който задържа водата в един язовир - това е „фалшивият вакуум“. Бентът поддържа нивото на водата и тя е в покой, но съществува друго енергийно състояние, което е по-ниско и ако язовирната стена се пропука водата ще изтече и ще се стабилизира на едно по-ниско ниво - например морското равнище. По същия начин фалшивият вакуум, заради тахионите в него, ще се дестабилизира, ще загуби равновесие и "ще се излее" и стабилизира на по-ниско ниво на  "истински вакуум".

Учените предполагат, че Вселената преди Големия взрив е била първоначално в състояние на фалшив вакуум, в който е имало тахиони. Такава система е нестабилна, защото наличието на тахионите означава, че това не е най-ниското й енергийно състояние. В тъканта на пространство-времето се получила малка пролука, която била истинският вакуум. Появило се едно мехурче, в което нямало тахиони, докато извън него те все още съществували. Мехурчето се разширявало и се превърнало в една Вселена без тахиони, нашата Вселена. Така се е случил Големият взрив.

Според някои учени, че процесът на разширяване е стартиран дори само от един тахион, наречен „инфлацион“, но присъствието на този тахион е дестабилизирало фалшивия вакуум и са се образували много малки мехурчета, в едно от които е нашата Вселена.

"Божественият" е започнал кариерата си като тахион

Смята се и че "Божествената частица", Хигс бозонът е започнал съществуването си като тахион, който след като дестабилизира вакуума и Вселената направи преход към един нов вакуум, Хигс бозонът се превръща от тахион в обикновена частица. След този преход, субатомните частици вече имат маса.

Протон-протонни сблъсъци в LHC показващи събития, съответстващи на Хигс бозона.
Илюстрация: CERN/CMS/Taylor, L; McCauley, T

Една от основните цели на Големият адронен колайдер (LCH) е откриването на „Хигс бозона“, за който има вече съобщение, че е открит. Физиците от LCH обявиха на 4 юли, 2012 г с повече от 99% сигурност, че са открили нова елементарна частица с тегло около 126 пъти масата на протона и че това е вероятно дълго търсения бозон на Хигс.

Тази частица не е само едно липсващо парченце от пъзела на Стандартния модел, тя ще изясни и космопологичното ни минало. Очакваме да се потвърди или не, че някога Хигс бозонът е съществувал в тахионно състояние и се е превърнал в обикновена частица.

Източник:

Тахиони, Димитър А. Tрифонов

МНОГОМЕРНОЕ ВРЕМЯ, В. С. Барашенков

Tachyon Theory

Барашенков В С "Тахионы. Частицы, движущиеся со скоростями больше скорости света" УФН 114 133–149 (1974)

Многомерное время, cyclowiki

A SHORT HISTORY OF THE FOURTH DIMENSION, Stephen M. Phillips

Manipulating multidimensional time enables reaching speed much faster than light India Daily Technology Team Jul.

Физика на невъзможното, Мичио Каку

По други закони?, Търсим космически цивилизации, Карел Пацнер

Гипотеза многомерного времени в современных физических теориях, Трофименко А.П., Артеменко О.Л., Спасков А.Н.

Privileged character of 3+1 spacetime

Do tachyons exist? Scott I. Chase.

Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино, Игорь Иванов

Относно времето, Пол Дейвис

Причинность и сверхсветовые частицы., П.Л.Чонка 

Частицы за световым барьером, О.Биланюк, Е.Сударшан 

 О возможности существования частиц, движущихся быстрее света., Дж.Фейнберг

ХРОНОМЕТРИЯ ТРЕХМЕРНОГО ВРЕМЕНИ Д. Г. Павлов Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

ГИПОТЕЗА МНОГОМЕРНОГО ВРЕМЕНИ В КОНТЕКСТЕ ПРОБЛЕМ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ* ЧАСТЬI. МНОГОМЕРНОЕ ВРЕМЯ ВМАКРО- И МЕГАМИРЕ О.Л. Артеменко, А.Н. Спасков

СВЕРХСВЕТОВАЯ СВЯЗЬ: ТАХИОН И ПРИЧИННОСТЬ, Путенихин П.В

Многомерность времени, Елена Чернышова

АНОМАЛИИ В КОСМОЛОГИЧНИ, ПЛАНЕТАРНИ И БИОЛОГИЧНИ ВРЕМЕНА И УСТОЙЧИВО РАЗВИТИЕ НА СВЕТА Здравко Андонов

Быстрее света, livejournal

Тахионы и нейтрино, М. Е. Прохоров/ГАИШ, Москва

Възможни ли са скорости, по-високи от светлинната?, Цанев

Tachyon, wikipedia

Още по темата

09/03/2015

Физика

Има ли живот в други измерения

08/03/2015

Физика

Възможна ли е скорост, по-голяма от скоростта на светлината? В търсене на тахионите

19/02/2015

Физика

Бозоните и фундаменталните взаимодействия

31/01/2014

Физика

Пространство-времето на Минковски