Tahioni: definīcija, īpašības un loma mūsdienu fizikā
Tahions ir jebkura hipotētiska daļiņa, kas var pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu. Terminu "tahions" 1967. gadā radīja Džeralds Feinbergs.
Lielākā daļa zinātnieku netic, ka tahioni eksistē. Einšteina īpašā relativitātes teorija apgalvo, ka nekas nevar paātrināties ātrāk par gaismas ātrumu, bet tahjoni teorētiski pastāvīgi pārvietojas ātrāk par gaismas ātrumu. Ja tahions patiešām eksistētu, tā masa būtu iedomāts skaitlis.
2011. gada septembrī tika ziņots, ka tau neitrīns ir pārvietojies ātrāk par gaismas ātrumu; tomēr vēlāk CERN atjauninātajā informācijā par OPERA projektu tika norādīts, ka par gaismu ātrāki rādījumi ir radušies "kļūdaina eksperimenta optiskās šķiedras laika noteikšanas sistēmas elementa" dēļ.
Īpašības un teorētiskās iezīmes
Tahioni, kā tos apraksta relativitāte un klasiskā lauka teorija, būtu ārkārtīgi neparastas daļiņas:
- Imaginarā masa: Parasti masas kvadrāts m² ir pozitīvs. Tahioniem m² būtu negatīvs (to mēdz saukt par "imagināru masu"), kas matemātiski nozīmē, ka enerģijas un impulsa sakarība E² = p²c² + m²c⁴ kļūst par E² = p²c² − μ²c⁴ (kur μ ir reāls skaitlis).
- Ātrums un enerģija: Tahionu teorētiskās īpašības paredz, ka tie vienmēr pārvietotos ātrāk par gaismas ātrumu — tos nav iespējams "piebremzēt" līdz vai zem c. Paradoxāli, jo ātrāk tahions kustas, jo mazāka ir tā enerģija; tuvinoties robežai v → c+ to enerģija var kļūt bezgalīga.
- Iespējamās kauzalitātes problēmas: superlumīniskai kustībai var būt parasts rezultāts, ka dažās inerciālās sistēmās signāli nonāk pirms to nosūtīšanas, radot laika paradoksus un slēgtas laika līknes. Tas ir galvenais arguments pret tīru, signālu pārnēsājošu tahionu eksistenci.
Vēsture, eksperimentālā meklēšana un OPERA anomālija
Termins un pamatideja par superlumīniskām daļiņām parādījās 20. gadsimta vidū, un kopš tā laika dažādi eksperimenti un novērojumi ir meklējuši jebkādas pazīmes par tādām parādībām. Lielākā daļa mūsdienu eksperimentālo rezultātu stingri ierobežo jebkādas superlumīniskas īpašības reālām elementārdaļiņām.
OPERA eksperimenta 2011. gada paziņojums par iespējamām superlumīniskām neitrīnu mērījumu novirzēm izraisīja plašu diskusiju un jaunas pārbaudes. Vēlāk tika atklāts, ka anomālija radusies instrumentālas kļūdas dēļ, un rezultāts tika labots — nav ticamu pierādījumu, ka neitrīni vai citas standarta daļiņas pārvietotos ātrāk par gaismu.
Tahioniskie lauki mūsdienu fizikā
Svarīgi nodalīt divas plaši lietotas nozīmes vārdu "tahions" kontekstā:
- Tahioni kā superlumīniskas daļiņas: šī interpretācija parasti tiek uzskatīta par problemātisku, jo tā noved pie kauzalitātes pārkāpumiem un nav eksperimentāli apstiprināta.
- Tahioniskie lauki (negatīva masas kvadrāta): daudzās kvantu lauku teorijās parādās lauki ar "tahionisku" masas termiņu (m² < 0). Tas nenozīmē, ka ir reālas daļiņas, kas pārvietojas ātrāk par gaismu, bet gan to, ka konkrētais vakuuma stāvoklis ir ne-stacionārs vai nestabils. Šāda negatīva m² zīme signalizē par stabilitātes zudumu — lauks "sakristos" uz jaunu vakuumu, bieži radot spontānu simetrijas laušanu vai kondensāciju.
Piemēri:
- Higsa mehānisms: Higsa lauka lagrangēnā sākotnēji tiek raksturots ar "tahionisku" masu termiņu (negatīvu m²), kas rada ne-stabilu stāvokli. Sistēmai pārejot uz zemākas enerģijas vakuumu, lauks iegūst vakuuma sagaidāmo vērtību un daļiņas (Higsa bozonu) iegūst reālu masu — tas ir spontānās simetrijas laušanas mehānisms.
- String teorija: daudzos sākotnējos stringu modelī tachioni norāda uz vakuuma nestabilitāti; tachionu kondensācija parasti nozīmē, ka dotais modelis jāmodificē, lai atrastu stabilu vakuumu.
Kāpēc tahioni joprojām ir interesanti
Pat ja nav tiešu eksperimentālu pierādījumu par superlumīniskām daļiņām, tahionu ideja ir noderīga kā teorētisks instruments:
- tā palīdz izprast kauzalitātes ierobežojumus un konsekvences, kas nepieciešamas fizikas teorijām;
- tahioniskie masu termini lauka teorijās ir svarīgi, lai modelētu simetrijas laušanu, fāzu pārejas un vakuuma stabilitāti;
- string teorijā un kosmoloģijā tachionu analīze norāda uz to, kā atrisināt un interpretēt nestabilitātes.
Kopsavilkums
Tahions kā superlumīniskas daļiņas paliek hipotētiski un pretrunīgi, galvenokārt tāpēc, ka tie radītu kauzalitātes problēmas un nav eksperimentāli atklāti. Tomēr "tahioniskie" masas termini kvantu lauku teorijā un string teorijā ir praktisks un svarīgs instruments, kas norāda uz vakuuma nestabilitātēm un bieži vada teorētiskās fāzes pārejas, piemēram, spontāno simetrijas laušanu (Higsa mehānisms). Eksperimentāli joprojām nav pārliecinošu pierādījumu par daļiņām, kas faktiski pārnēsā informāciju ātrāk par gaismu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir tahions?
A: Tahions ir jebkura hipotētiska daļiņa, kas var pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu.
J: Vai lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka tahioni eksistē?
A: Nē, lielākā daļa zinātnieku netic, ka tahioni eksistē.
J: Ko nosaka Einšteina īpašā relativitātes teorija?
A: Einšteina īpašā relativitātes teorija apgalvo, ka nekas nevar paātrināties ātrāk par gaismas ātrumu.
J: Kā, saskaņā ar teoriju, ceļo tahioni?
A: Teorija apgalvo, ka tahioni nepārtraukti pārvietojas ātrāk par gaismas ātrumu.
J: Ja tahions patiešām eksistētu, kāda būtu tā masa?
A: Ja tahions eksistētu, tā masa būtu iedomāts skaitlis.
Vai ir iespējams, ka kaut kas var ceļot ātrāk par gaismas ātrumu?
Atbilstoši Einšteina speciālajai relativitātes teorijai nekas nevar paātrināties ātrāk par gaismas ātrumu.
