Tachyon

Um táquion () ou partícula taquiônica é uma partícula hipotética que sempre viaja mais rápido que a luz. Os físicos acreditam que partículas mais rápidas que a luz não podem existir porque são inconsistentes com as leis conhecidas da física. Se tais partículas existissem, poderiam ser usadas para enviar sinais mais rápido que a luz. De acordo com a teoria da relatividade, isso violaria a causalidade, levando a paradoxos lógicos como o paradoxo do avô. Os táquions exibiriam 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 verificável da existência de tais partículas foi encontrada.

No artigo de 1967 que cunhou o termo, Gerald Feinberg propôs que partículas taquiônicas poderiam ser produzidas a partir de excitações de um campo quântico com massa imaginária. No entanto, logo se percebeu que o modelo de Feinberg não permitia, de fato, partículas ou sinais superluminais (mais rápidos que a luz) e que os campos taquiônicos apenas davam origem a instabilidades, e não a violações de causalidade. No entanto, na física moderna, o termo táquion refere-se frequentemente a campos de massa imaginários, e não a partículas mais rápidas que a luz. Tais campos desempenham um papel significativo na física moderna.

O termo vem do grego: ταχύ, tachy, que significa rápido. Os tipos de partículas complementares são chamados luxons (que sempre se movem à velocidade da luz) e bradyons (que sempre se movem mais lentamente que a luz); sabe-se que ambos os tipos de partículas existem.

Histórico

O termo táquion 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'. por 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 táquions) na tentativa de compreender a origem microfísica que tais partículas poderiam ter.

A primeira hipótese sobre partículas mais rápidas que a luz é por vezes atribuída ao físico alemão Arnold Sommerfeld, que, em 1904, as chamou de “metapartículas”. Bilanuik, Deshpande e Sudarshan discutiram isto mais recentemente no seu artigo de 1962 sobre o tema e em 1969.

A possibilidade da existência de partículas mais rápidas que a luz também foi proposta por Lev Yakovlevich Shtrum em 1923.

Em Setembro de 2011, foi relatado, num importante comunicado do CERN, que um neutrino do tau tinha viajado mais rápido que a velocidade da luz; no entanto, atualizações posteriores do CERN sobre o projeto OPERA indicam que as leituras mais rápidas que a luz foram devidas a um elemento defeituoso do sistema de temporização de fibra óptica do experimento.

Táquions na relatividade

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

Missa

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" nas discussões sobre táquions) também devem ser aplicadas aos táquions. Em particular, a relação energia-momento:

E2= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(pc)2+(mc2)2{displaystyle E^{2}=(pc)^{2}+(mc^{2})^{2};}

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

E= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =mc21- Sim. - Sim. v2c2.{displaystyle E={frac {mc^{2}}{sqrt {1-{frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}}}

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

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

Velocidade

Um efeito curioso é que, ao contrário das partículas comuns, a velocidade de um taquion aumentos como sua energia diminui. Em particular, ENão. aproxima zero quando vNão. aproxima-se do infinito. (Para a matéria bradônica comum, ENão. aumenta com a velocidade crescente, tornando-se arbitrariamente grande como vNão. abordagens cNão., a velocidade da luz.) Portanto, assim como os bradyons são proibidos de quebrar a barreira de velocidade leve, assim também são os taquiões proibidos de abrandar para baixo c, porque a energia infinita é necessária para alcançar a barreira de cima ou abaixo.

Conforme observado por Albert Einstein, Tolman e outros, a relatividade especial implica que partículas mais rápidas que a luz, se existissem, poderiam ser usadas para se comunicarem de trás para frente 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 que a da luz pode ser modelada usando termos de violação da invariância de Lorentz, por exemplo, na Extensão do Modelo Padrão. Nesta estrutura, os neutrinos experimentam oscilações que violam Lorentz e podem viajar mais rápido que a luz em altas energias. Esta proposta foi fortemente criticada.

Radiação Cherenkov

Um táquion com carga elétrica perderia energia como a radiação de Cherenkov – assim como acontece com as partículas carregadas comuns quando excedem a velocidade local da luz em um meio (diferente do vácuo). Um táquion carregado viajando no vácuo, portanto, sofre uma aceleração constante e própria no tempo e, por necessidade, sua linha de mundo forma uma hipérbole no espaço-tempo. No entanto, reduzir a energia de um táquion 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 aniquilam-se quando atingem simultaneamente velocidade infinita no mesmo lugar do espaço. (Em velocidade infinita, os dois táquions não têm energia cada um e têm momento finito de direção oposta, portanto, nenhuma lei de conservação é violada em sua aniquilação mútua. O tempo de aniquilação depende do quadro.)

Seria esperado que mesmo um táquion eletricamente neutro perdesse energia através da radiação gravitacional de Cherenkov (a menos que os próprios grávitons sejam táquions), porque ele tem uma massa gravitacional e, portanto, aumenta sua velocidade à medida que viaja, conforme descrito acima. Se o táquion interagir com quaisquer outras partículas, ele também poderá 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 eram realmente errôneos.

Causalidade

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

O problema pode ser entendido em termos da relatividade da simultaneidade na relatividade especial, que diz que diferentes referenciais inerciais irão discordar sobre se dois eventos em locais diferentes aconteceram "ao mesmo tempo" ou não, e eles também podem discordar sobre a ordem dos dois eventos (tecnicamente, essas divergências ocorrem quando o intervalo de espaço-tempo entre os eventos é 'semelhante ao 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 à velocidade da luz ou mais lentamente, a matemática da simultaneidade garante que todos os referenciais concordem que o evento de transmissão aconteceu antes do evento de recepção. No entanto, no caso de um sinal hipotético se movendo mais rápido 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 deveriam funcionar da mesma maneira em todos os referenciais inerciais, se é possível que os sinais se movam para trás no tempo em qualquer referencial, isso deve ser possível em todos os referenciais. Isso significa que se o observador A envia um sinal ao observador B que se move mais rápido que a luz no referencial de A, mas retrocede no tempo no referencial de B, e então B envia uma resposta que se move mais rápido que a luz em B' No quadro 39, mas retrocedendo no tempo no quadro A, poderia acontecer que A recebesse a resposta antes de enviar o sinal original, desafiando a causalidade em cada quadro e abrindo a porta para lógicas severas. paradoxos. Isso é conhecido como antitelefone taquiônico.

Princípio de reinterpretação

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

No entanto, este princípio não é amplamente aceito como solução para 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 'auto-inibidor logicamente pernicioso'. Acredita-se que todas as formas de energia interagem 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 em uma teoria de campo.

Campos com massa imaginária

No artigo que cunhou o termo "táquion", Gerald Feinberg estudou campos quânticos invariantes de Lorentz com massa imaginária. Como a velocidade de 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 na condensação de táquions, e todas as excitações do campo se propagam subluminalmente e são consistentes com a causalidade. Apesar de não terem propagação mais rápida 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 da 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 táquions não são possíveis devido à conjectura de Sen, também conhecida como condensação de táquions. Isto 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 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, de modo que tais teorias são fortemente restritas.

Campos com termo cinético não canônico

Ao modificar a energia cinética do campo, é possível produzir teorias de campo invariantes de Lorentz com excitações que se propagam superluminalmente. 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.

Na 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 confiam para estabelecer uma comunicação mais rápida 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 assunto em questão não tenha nenhuma relação particular com viagens superluminais (uma forma de technobabble, semelhante a tachyon >cérebro positrônico).