Tachion — a fénysebességnél gyorsabb hipotetikus részecskék és mezők
Fedezze fel a tachionokat: a fénysebességnél gyorsabb hipotetikus részecskék és képzeletbeli tömegmezők szerepét a modern fizikában, CERN/OPERA eredményekkel.
tachion minden olyan hipotetikus részecske, amely a fénysebességnél gyorsabban tud haladni. A "tachion" elnevezést 1967-ben Gerald Feinberg vezette be, és azóta a fogalom a fizikaelmélet és a populáris tudomány határterületein egyaránt ismertté vált.
Alapvető tulajdonságok és elméleti következmények
Az általános elképzelés szerint a tachionok olyan részecskék, amelyek soha nem mozognak a fénysebesség alatt, azaz természetüknél fogva mindig szuperluminalisak. Ez ellentmond azzal a gyakran félreértett állítással, hogy "semmi sem haladhat gyorsabban a fénysebességnél", mert az Einstein-féle speciális relativitáselmélet szerint egyes feltételek mellett nem értelmezhető a tárgy akcelerálása a c fölé — az elmélet azonban megengedi az olyan formális megoldásokat, amelyek szuperluminalis mozgást írnak le.
A klasszikus relativisztikus energia-impulzus viszonyból:
E2 = p2c2 + m2c4
következik, hogy ha m2 negatív lenne, akkor a nyugalmi tömeg m képzeletbeli számként jelenik meg. Ezért mondják, hogy egy hipotetikus tachion tömege képzeletbeli szám lenne. Ilyen részecskék esetén az energia és a sebesség kapcsolata szokatlan: minél nagyobb a tachion sebessége, általános elméleti leírások szerint annál kisebb az energiája. Ennek következtében nem lehet őket "lelassítani" a c alá megszokott módon.
Számos elméleti paradoxon kapcsolódik a tachionokhoz, különösen a kauzalitás megsértésének lehetősége — például a gondolatkísérletekben felbukkanó úgynevezett tachionikus antitelefon, amely elméletileg lehetővé tenné üzenetek küldését a múltba. Egyes megközelítések (például a Stueckelberg–Feynman-féle reinterpretációs elv) úgy próbálják kezelni ezeket a problémákat, hogy a szuperluminalis megoldásokat időben visszafelé haladó részecskékként értelmezik, amelyeket az antirészecskék szemszögéből nézve előre haladónak lehet tekinteni — ez azonban nem oldja meg minden kauzalitási problémát.
Kísérleti keresések és az OPERA-ügy
A legtöbb kutató szkeptikus a tachionok valós létezésével kapcsolatban, mivel empirikus bizonyíték hiányzik, és a létezésük komoly elméleti nehézségeket vet fel. 2011 szeptemberében a CERN egy nagyszabású közleményében arról számolt be, hogy egy tau neutrínó a fénysebességnél gyorsabban haladt; a sajtóban és a szakmai közösségben óriási visszhangot keltett ez a bejelentés. Valójában az OPERA kísérlet főként muon-neutrínókkal dolgozott, és a gyorsabbnál-fénysebességre utaló mérési eredmények később annak bizonyultak, hogy a mérések időzítésében hibák voltak: egy hibásan csatlakoztatott száloptikai kábel és egy időmérő oszcillátor meghibásodása adta a hamis eredményt. A hibák feltárása után a CERN visszavonta a gyorsabb-nál-fénysebességű állítást.
Tachionok a modern elméleti fizikában
A mai fizikai irodalomban a "tachion" kifejezést gyakran nem szó szerinti, szuperluminalis részecskére, hanem tachionikus (negatív tömegnégyzetű) mezőkre használják. Ilyen mezők nem azt jelentik, hogy valódi részecskék a c fölé gyorsulnak, hanem azt, hogy az aktuális vákuum (vagy háttérállapot) instabil: a negatív m2 azt jelzi, hogy a rendszer le fog bomlani egy alacsonyabb energiaállapot felé, amit általában mezők kondenzációja, szimmetriasértés vagy vákuum-átrendeződés követ.
Példák:
- A Higgs-mechanizmus elméleti leírásában az ún. "negatív tömegszámmal" rendelkező (tachionikus) tömegnégyzet jelez egy spontán szimmetriasértést, amely végül tömeget ad a részecskéknek — ez nem jelent valódi, szuperluminalis részecskéket.
- A sztringelméletben a boszonikus sztringek alapállapotában megjelenő tachionok a modell vákuumának instabilitására utalnak; tachyonkondenzációval stabilabb állapot érhető el.
Miért fontos megkülönböztetni a fogalmakat?
Gyakran összekeverik a különböző "gyorsabb, mint a fény" jelenségeket. Például a fény fázissebessége vagy bizonyos csoportsebességi effektusok egy közegben meghaladhatják c-t anélkül, hogy információ vagy energia valóban gyorsabban haladna — ilyen esetek nem sértik a relativitást. A valódi, információt továbbító szuperluminalis részecske létezése viszont komoly alapelveket (pl. kauzalitást) veszélyeztetne.
Összegzés
Több évtized elméleti vizsgálata után sincs meggyőző kísérleti bizonyíték arra, hogy léteznek a fénysebességnél gyorsabb, hagyományos értelemben vett részecskék. Ugyanakkor a "tachion" mint fogalom hasznos az elméleti fizikában, mert a tachionikus instabilitások segítenek megérteni a vákuumok, szimmetriafeltörések és a mezők dinamikáját. A fizika jelenlegi állása szerint a tisztán szuperluminalis részecskékre vonatkozó állítások rendkívül szigorú kísérleti bizonyítékot igényelnének, és számos alapelvet újra kellene értelmezni, ha ilyesmi valaha is megfigyelhető lenne.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a tachion?
A: A tachion minden olyan hipotetikus részecske, amely a fénysebességnél gyorsabban tud haladni.
K: A legtöbb tudós úgy véli, hogy tachionok léteznek?
V: Nem, a legtöbb tudós nem hisz a tachionok létezésében.
K: Mit állít Einstein speciális relativitáselmélete?
V: Einstein speciális relativitáselmélete azt állítja, hogy semmi sem gyorsulhat gyorsabban a fénysebességnél.
K: A tachionok elméletileg hogyan közlekednek?
V: A tachionok elméletileg folyamatosan gyorsabban haladnak a fénysebességnél.
K: Ha egy tachion valóban létezne, mekkora lenne a tömege?
V: Ha egy tachion létezne, akkor a tömege egy képzeletbeli szám lenne.
K: Lehetséges, hogy bármi gyorsabban haladjon a fénysebességnél?
V: Einstein speciális relativitáselmélete szerint semmi sem gyorsulhat gyorsabban a fénysebességnél.
Keres