Tachyon - Tachyon

Tachyon
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Como um tachyon sempre viajaria mais rápido que a luz, não seria possível vê-lo se aproximando. Depois que um tachyon passou por perto, um observador seria capaz de ver duas imagens dele, aparecendo e partindo em direções opostas. Este efeito de imagem dupla é mais proeminente para um observador localizado diretamente no caminho de um objeto superluminal (neste exemplo, é uma esfera, mostrada em cinza transparente). Como o tachyon chega antes da luz, o observador não vê nada até que a esfera já tenha passado, após o que (da perspectiva do observador) a imagem parece se dividir em duas - uma da esfera que chega (à direita) e outra da que parte esfera (à esquerda).
Classificação Partículas elementares
Status hipotético
Teorizado 1967

Um taquiônica ( / t Æ k i ɒ n / ) ou partícula taquiônico é uma hipotética partícula que viaja sempre mais rápido do que a luz . A maioria dos físicos acredita que partículas mais rápidas do que a luz não podem existir porque não são consistentes com as leis conhecidas da física. Se tais partículas existissem e pudessem enviar sinais mais rápido que a luz, então, de acordo com a teoria da relatividade, elas violariam a causalidade , levando a paradoxos lógicos como o paradoxo do avô . Os táquions também exibiam a propriedade incomum de aumentar a velocidade à medida que sua energia diminui, e exigiriam energia infinita para desacelerar até a velocidade da luz. Nenhuma evidência experimental da existência de tais partículas foi encontrada.

No artigo de 1967 que cunhou o termo, Gerald Feinberg propôs que as partículas taquiônicas poderiam ser feitas a partir de excitações de um campo quântico com massa imaginária . No entanto, logo percebeu-se que o modelo de Feinberg não permitia velocidades superluminais (mais rápidas que a luz). No entanto, na física moderna, o termo tachyon freqüentemente se refere a campos de massa imaginários, e não a partículas mais rápidas que a luz. Esses campos passaram a desempenhar um papel significativo na física moderna .

O termo vem do grego : ταχύ , tachy , que significa rápido . Os tipos de partículas complementares são chamados de luxões (que sempre se movem na velocidade da luz ) e bradíons (que sempre se movem mais devagar que a luz); ambos os tipos de partículas são conhecidos por existir.

História

O termo tachyon foi cunhado por Gerald Feinberg em um artigo de 1967 intitulado "Possibilidade de partículas mais rápidas que a luz". Ele se inspirou na história de ficção científica "Beep", de James Blish . Feinberg estudou a cinemática de tais partículas de acordo com a relatividade especial . Em seu artigo, ele também introduziu campos com massa imaginária (agora também chamados de tachyons) na tentativa de entender a origem microfísica que tais partículas podem ter.

A primeira hipótese sobre partículas mais rápidas que a luz é às vezes atribuída ao físico alemão Arnold Sommerfeld em 1904, que as chamou de "metapartículas". Discussões mais recentes aconteceram em 1962 e 1969.

A possibilidade de existência de partículas mais rápidas do que a luz também foi proposta por Lev Yakovlevich Shtrum em 1923 (ver https://arxiv.org/abs/2107.10739 e referências nele).

Em setembro de 2011, foi relatado que um neutrino tau viajou mais rápido do que a velocidade da luz em um grande lançamento do CERN; no entanto, atualizações posteriores do CERN no projeto OPERA indicam que as leituras mais rápidas do que a luz foram devido a um elemento defeituoso do sistema de temporização de fibra óptica do experimento.

Tachyons na relatividade

Na relatividade especial , uma partícula mais rápida do que a luz teria quatro momentos como o espaço , em contraste com as partículas comuns que têm quatro momentos como o tempo . Embora em algumas teorias a massa dos táquions seja considerada imaginária , em algumas formulações modernas a massa é considerada real, as fórmulas para o momento e a energia sendo redefinidas para esse fim. Além disso, uma vez que os táquions são restritos à porção espacial do gráfico de energia-momento, eles não poderiam desacelerar para velocidades subluminais (ou seja, mais lentas que a luz).

Massa

Em uma teoria invariante de Lorentz , as mesmas fórmulas que se aplicam a partículas comuns mais lentas que a luz (às vezes chamadas de " bradyons " em discussões sobre tachyons) também devem ser aplicadas a tachyons. Em particular, a relação energia-momento :

(onde p é o momento relativístico do bradyon e m é sua massa de repouso ) ainda deve se aplicar, junto com a fórmula para a energia total de uma partícula:

Esta equação mostra que a energia total de uma partícula (bradyon ou tachyon) contém uma contribuição de sua massa de repouso (a "massa-energia de repouso") e uma contribuição de seu movimento, a energia cinética. Quando (a velocidade da partícula) é maior que (a velocidade da luz), o denominador na equação para a energia é imaginário , pois o valor sob a raiz quadrada é negativo. Como a energia total da partícula deve ser real (e não um número complexo ou imaginário) para ter algum significado prático como medida, o numerador também deve ser imaginário: ou seja, a massa restante m deve ser imaginária, como um imaginário puro número dividido por outro número imaginário puro é um número real.

Em algumas formulações modernas da teoria, a massa dos táquions é considerada real.

Velocidade

Um efeito curioso é que, ao contrário das partículas comuns, a velocidade de um tachyon aumenta à medida que sua energia diminui. Em particular, se aproxima de zero quando se aproxima do infinito. (Para matéria bradônica comum, aumenta com o aumento da velocidade, tornando-se arbitrariamente grande à medida que se aproxima , a velocidade da luz ). Portanto, assim como os bradíons estão proibidos de quebrar a barreira da velocidade da luz, os táquions também estão proibidos de desacelerar para abaixo de c , porque uma energia infinita é necessária para alcançar a barreira de cima ou de baixo.

Conforme observado por Albert Einstein , Tolman e outros, a relatividade especial implica que partículas mais rápidas do que a luz, se existissem, poderiam ser usadas para se comunicar para trás no tempo .

Neutrinos

Em 1985, Chodos propôs que os neutrinos podem ter uma natureza taquiônica. A possibilidade de partículas do modelo padrão se moverem em velocidades mais rápidas do que a da luz pode ser modelada usando os termos de violação da invariância de Lorentz , por exemplo, na Extensão do Modelo Padrão . Nesta estrutura, os neutrinos experimentam oscilações violadoras de Lorentz e podem viajar mais rápido do que a luz em altas energias. Esta proposta foi fortemente criticada.

Radiação Cherenkov

Um tachyon com carga elétrica perderia energia como radiação Cherenkov - exatamente como as partículas carregadas comuns fazem quando excedem a velocidade local da luz em um meio (diferente de um vácuo forte). Um tachyon carregado viajando no vácuo, portanto, sofre uma aceleração de tempo adequada constante e, por necessidade, sua linha de mundo forma uma hipérbole no espaço-tempo. No entanto, reduzir a energia de um tachyon aumenta sua velocidade, de modo que a única hipérbole formada é de dois táquions com cargas opostas e momentos opostos (mesma magnitude, sinal oposto) que se aniquilam quando atingem simultaneamente velocidade infinita no mesmo lugar no espaço. (Em velocidade infinita, os dois táquions não têm energia cada um e momento finito de direção oposta, portanto, nenhuma lei de conservação é violada em sua aniquilação mútua. O tempo de aniquilação depende do quadro .)

Até mesmo um tachyon eletricamente neutro poderia perder energia por meio da radiação Cherenkov gravitacional (a menos que os grávitons sejam tachyons ), porque ele tem uma massa gravitacional e, portanto, aumenta sua velocidade à medida que viaja, como descrito acima. Se o tachyon interagir com quaisquer outras partículas, ele também pode irradiar energia Cherenkov para essas partículas. Os neutrinos interagem com as outras partículas do modelo padrão , e Andrew Cohen e Sheldon Glashow usaram isso para argumentar que a anomalia do neutrino mais rápido que a luz de 2011 não pode ser explicada fazendo com que os neutrinos se propaguem mais rápido que a luz e, em vez disso, deve ser devido a um erro no experimento. Uma investigação mais aprofundada do experimento mostrou que os resultados estavam realmente errados.

Causalidade

Diagrama de espaço-tempo mostrando que se mover mais rápido do que a luz implica em viagem no tempo no contexto da relatividade especial . Uma espaçonave sai da Terra de A a C mais devagar que a luz. Em B, a Terra emite um tachyon, que viaja mais rápido que a luz, mas avança no tempo no referencial da Terra. Ele chega à espaçonave em C. A espaçonave então envia outro tachyon de volta à Terra de C para D. Este tachyon também viaja para frente no tempo no referencial da espaçonave. Isso efetivamente permite que a Terra envie um sinal de B para D, de volta no tempo.

A causalidade é um princípio fundamental da física. Se os táquions podem transmitir informações mais rápido do que a luz, então, de acordo com a relatividade, eles violam a causalidade, levando a paradoxos lógicos do tipo "mate seu próprio avô" . Isso costuma ser ilustrado com experimentos mentais , como o "paradoxo do telefone tachyon" ou "autoinibidor logicamente pernicioso".

O problema pode ser entendido em termos da relatividade da simultaneidade na relatividade especial, que diz que diferentes referenciais inerciais discordarão se dois eventos em locais diferentes aconteceram "ao mesmo tempo" ou não, e eles também podem discordar da ordem dos dois eventos (tecnicamente, essas discordâncias ocorrem quando o intervalo de espaço-tempo entre os eventos é "semelhante a espaço", o que significa que nenhum dos eventos está no futuro cone de luz do outro).

Se um dos dois eventos representa o envio de um sinal de um local e o segundo evento representa a recepção do mesmo sinal em outro local, então, enquanto o sinal estiver se movendo na velocidade da luz ou mais lentamente, a matemática da simultaneidade garante que todos os referenciais concordam que o evento de transmissão aconteceu antes do evento de recepção. No entanto, no caso de um sinal hipotético movendo-se mais rápido do que a luz, sempre haveria alguns quadros nos quais o sinal foi recebido antes de ser enviado, de modo que se poderia dizer que o sinal retrocedeu no tempo. Como um dos dois postulados fundamentais da relatividade especial diz que as leis da física devem funcionar da mesma maneira em todos os referenciais inerciais, se é possível que os sinais retrocedam no tempo em qualquer um dos referenciais. Isso significa que se o observador A envia um sinal para o observador B que se move mais rápido do que a luz no quadro de A, mas para trás no tempo no quadro de B, e então B envia uma resposta que se move mais rápido do que a luz no quadro de B, mas para trás no tempo no quadro de A, poderia descobrir que A recebe a resposta antes de enviar o sinal original, desafiando a causalidade em cada quadro e abrindo a porta para paradoxos lógicos graves. Isso é conhecido como antitelefone taquiônico .

Princípio de reinterpretação

O princípio da reinterpretação afirma que um tachyon enviado de volta no tempo sempre pode ser reinterpretado como um tachyon viajando para frente no tempo, porque os observadores não podem distinguir entre a emissão e a absorção de tachyons. A tentativa de detectar um tachyon do futuro (e violar a causalidade) realmente criaria o mesmo tachyon e o enviaria para frente no tempo (o que é causal).

No entanto, esse princípio não é amplamente aceito para resolver os paradoxos. Em vez disso, o que seria necessário para evitar paradoxos é que, ao contrário de qualquer partícula conhecida, os táquions não interagem de forma alguma e nunca podem ser detectados ou observados, porque caso contrário, um feixe de táquions poderia ser modulado e usado para criar um anti-telefone ou um " autoinibidor logicamente pernicioso ". Acredita-se que todas as formas de energia interajam pelo menos gravitacionalmente, e muitos autores afirmam que a propagação superluminal nas teorias invariantes de Lorentz sempre leva a paradoxos causais.

Modelos fundamentais

Na física moderna, todas as partículas fundamentais são consideradas excitações de campos quânticos . Existem várias maneiras distintas pelas quais as partículas taquiônicas podem ser incorporadas a uma teoria de campo.

Campos com massa imaginária

No artigo que cunhou o termo "tachyon", Gerald Feinberg estudou os campos quânticos invariantes de Lorentz com massa imaginária. Como a velocidade do grupo para tal campo é superluminal , ingenuamente parece que suas excitações se propagam mais rápido que a luz. No entanto, foi rapidamente entendido que a velocidade do grupo superluminal não corresponde à velocidade de propagação de qualquer excitação localizada (como uma partícula). Em vez disso, a massa negativa representa uma instabilidade à condensação de taquions , e todas as excitações do campo se propagam subluminalmente e são consistentes com a causalidade . Apesar de não terem propagação mais rápida do que a luz, tais campos são chamados simplesmente de "táquions" em muitas fontes.

Os campos taquiônicos desempenham um papel importante na física moderna. Talvez o mais famoso seja o bóson de Higgs do Modelo Padrão da física de partículas , que possui uma massa imaginária em sua fase não condensada. Em geral, o fenômeno de quebra espontânea de simetria , que está intimamente relacionado à condensação de táquions, desempenha um papel importante em muitos aspectos da física teórica, incluindo as teorias de supercondutividade de Ginzburg – Landau e BCS . Outro exemplo de campo taquiônico é o táquion da teoria das cordas bosônicas .

Os táquions são previstos pela teoria das cordas bosônicas e também pelos setores Neveu-Schwarz (NS) e NS-NS, que são respectivamente o setor bosônico aberto e o setor bosônico fechado, da teoria das supercordas RNS antes da projeção GSO . No entanto, tais taquions não são possíveis devido à conjectura de Sen, também conhecida como condensação de taquions. Isso resultou na necessidade da projeção GSO.

Teorias que violam Lorentz

Em teorias que não respeitam a invariância de Lorentz , a velocidade da luz não é (necessariamente) uma barreira, e as partículas podem viajar mais rápido do que a velocidade da luz sem energia infinita ou paradoxos causais. Uma classe de teorias de campo desse tipo são as chamadas extensões do Modelo Padrão . No entanto, a evidência experimental da invariância de Lorentz é extremamente boa, então tais teorias são muito restritas.

Campos com termo cinético não canônico

Ao modificar a energia cinética do campo, é possível produzir teorias de campo invariante de Lorentz com excitações que se propagam superluminais. No entanto, tais teorias, em geral, não têm um problema de Cauchy bem definido (por razões relacionadas às questões de causalidade discutidas acima) e são provavelmente inconsistentes na mecânica quântica.

Em ficção

Os táquions apareceram em muitas obras de ficção. Eles têm sido usados ​​como um mecanismo de espera no qual muitos autores de ficção científica contam para estabelecer uma comunicação mais rápida do que a luz , com ou sem referência a questões de causalidade. A palavra tachyon tornou-se amplamente reconhecida a tal ponto que pode transmitir uma conotação de ficção científica, mesmo que o sujeito em questão não tenha nenhuma relação particular com a viagem superluminal (uma forma de technobabble , semelhante ao cérebro positrônico ).

Veja também

Notas de rodapé

Referências

links externos