Tachyon

Un taquión () o partícula taquiónica es una partícula hipotética que siempre viaja más rápido que la luz. Los físicos creen que las partículas más rápidas que la luz no pueden existir porque no son consistentes con las leyes conocidas de la física. Si tales partículas existieran, podrían usarse para enviar señales más rápido que la luz. Según la teoría de la relatividad, esto violaría la causalidad, lo que conduciría a paradojas lógicas como la paradoja del abuelo. Los taquiones exhibirían la propiedad inusual de aumentar su velocidad a medida que su energía disminuye, y requerirían energía infinita para reducir la velocidad a la de la luz. No se ha encontrado evidencia experimental verificable de la existencia de tales partículas.

En el artículo de 1967 que acuñó el término, Gerald Feinberg propuso que las partículas taquiónicas podrían formarse a partir de excitaciones de un campo cuántico con masa imaginaria. Sin embargo, pronto se dio cuenta de que el modelo de Feinberg, de hecho, no permitía partículas o señales superlumínicas (más rápidas que la luz) y que los campos taquiónicos simplemente dan lugar a inestabilidades, no a violaciones de la causalidad. Sin embargo, en la física moderna el término taquión a menudo se refiere a campos de masa imaginarios en lugar de partículas más rápidas que la luz. Tales campos juegan un papel importante en la física moderna.

El término proviene del griego: ταχύ, tachy, que significa rápido. Los tipos de partículas complementarias se llaman luxones (que siempre se mueven a la velocidad de la luz) y bradiones (que siempre se mueven más lento que la luz); se sabe que ambos tipos de partículas existen.

Historia

El término taquión fue acuñado por Gerald Feinberg en un artículo de 1967 titulado "Posibilidad de partículas más rápidas que la luz". Se había inspirado en la historia de ciencia ficción "Beep" por James Blish. Feinberg estudió la cinemática de tales partículas según la relatividad especial. En su artículo también introdujo campos con masa imaginaria (ahora también conocidos como taquiones) en un intento por comprender el origen microfísico que podrían tener tales partículas.

La primera hipótesis sobre las partículas más rápidas que la luz se atribuye a veces al físico alemán Arnold Sommerfeld en 1904, quien las denominó "metapartículas". Discusiones más recientes ocurrieron en 1962 cuando Bilanuik, Deshpande y Sudarshan publicaron su artículo sobre el tema y en 1969.

La posibilidad de la existencia de partículas más rápidas que la luz también fue propuesta por Lev Yakovlevich Shtrum en 1923.

En septiembre de 2011, se informó que un neutrino tau había viajado más rápido que la velocidad de la luz en una emisión importante del CERN; sin embargo, actualizaciones posteriores del CERN sobre el proyecto OPERA indican que las lecturas más rápidas que la luz se debieron a un elemento defectuoso del sistema de temporización de fibra óptica del experimento.

Taquiones en relatividad

En la relatividad especial, una partícula más rápida que la luz tendría cuatro impulsos similares al espacio, en contraste con las partículas ordinarias que tienen cuatro impulsos similares al tiempo. Aunque en algunas teorías la masa de los taquiones se considera imaginaria, en algunas formulaciones modernas la masa se considera real, y las fórmulas del momento y la energía se redefinen con este fin. Además, dado que los taquiones están restringidos a la parte espacial del gráfico de energía-momento, no podrían reducir su velocidad a velocidades subluminales (es decir, más lentas que la luz).

Masa

En una teoría invariante de Lorentz, las mismas fórmulas que se aplican a las partículas ordinarias más lentas que la luz (a veces llamadas "bradiones" en las discusiones sobre taquiones) también deben aplicarse a los taquiones. En particular, la relación energía-cantidad de movimiento:

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

(donde p es el momento relativista del bradión y m es su masa en reposo) aún debe aplicarse, junto con la fórmula para la energía total de una partícula:

${displaystyle E={frac {mc}{2}{sqrt {1-{frac} - ¿Qué?$

Esta ecuación muestra que la energía total de una partícula (bradyon o taquión) contiene una contribución de su masa de reposo (la "restam-energía") y una contribución de su movimiento, la energía cinética. Cuando ${displaystyle v}$ (la velocidad de la partícula) es mayor que ${displaystyle c}$ (la velocidad de la luz), el denominador en la ecuación para la energía es imaginario, ya que el valor bajo la raíz cuadrada es negativo. Debido a que la energía total de la partícula debe ser real (y no un número complejo o imaginario) para tener cualquier significado práctico como medida, el numerador debe también ser imaginario: i.e. the rest mass m debe ser imaginario, como un número imaginario puro dividido por otro número imaginario puro es un número real.

En algunas formulaciones modernas de la teoría, la masa de taquiones se considera real.

Velocidad

Un efecto curioso es que, a diferencia de las partículas ordinarias, la velocidad de un tachyon aumentos como su energía disminuye. En particular, ${displaystyle E}$ enfoques cero cuando ${displaystyle v}$ se acerca al infinito. (Para la materia bradiónica ordinaria, ${displaystyle E}$ aumentos con mayor velocidad, tornándose arbitrariamente grande ${displaystyle v}$ enfoques ${displaystyle c}$, la velocidad de la luz). Por lo tanto, al igual que los bradyons están prohibidos para romper la barrera de la velocidad de la luz, así que también están prohibidos los tachyons de bajar a abajo c, porque la energía infinita es necesaria para alcanzar la barrera desde arriba o abajo.

Como señalaron Albert Einstein, Tolman y otros, la relatividad especial implica que las partículas más rápidas que la luz, si existieran, podrían usarse para comunicarse hacia atrás en el tiempo.

Neutrinos

En 1985, Chodos propuso que los neutrinos pueden tener una naturaleza taquiónica. La posibilidad de que las partículas del modelo estándar se muevan a velocidades superiores a la de la luz se puede modelar utilizando los términos que violan la invariancia de Lorentz, por ejemplo, en la extensión del modelo estándar. En este marco, los neutrinos experimentan oscilaciones que violan Lorentz y pueden viajar más rápido que la luz a altas energías. Esta propuesta fue fuertemente criticada.

Radiación Cherenkov

Un taquión con una carga eléctrica perdería energía como radiación de Cherenkov, tal como lo hacen las partículas cargadas ordinarias cuando exceden la velocidad local de la luz en un medio (que no sea un vacío total). Un taquión cargado que viaja en el vacío, por lo tanto, experimenta una aceleración de tiempo propia constante y, por necesidad, su línea de mundo forma una hipérbola en el espacio-tiempo. Sin embargo, la reducción de la energía de un taquión aumenta su velocidad, de modo que la única hipérbola formada es de dos taquiones de carga opuesta con momentos opuestos (misma magnitud, signo opuesto) que se aniquilan entre sí cuando alcanzan simultáneamente una velocidad infinita en el mismo lugar del espacio. (A una velocidad infinita, los dos taquiones no tienen energía cada uno y tienen un momento finito de dirección opuesta, por lo que no se violan las leyes de conservación en su aniquilación mutua. El tiempo de aniquilación depende del marco).

Incluso se esperaría que un taquión eléctricamente neutro perdiera energía a través de la radiación Cherenkov gravitacional (a menos que los gravitones sean en sí mismos taquiones), porque tiene una masa gravitatoria y, por lo tanto, aumenta su velocidad a medida que viaja, como se describe anteriormente. Si el taquión interactúa con cualquier otra partícula, también puede irradiar energía de Cherenkov hacia esas partículas. Los neutrinos interactúan con las otras partículas del modelo estándar, y Andrew Cohen y Sheldon Glashow usaron esto para argumentar que la anomalía de los neutrinos más rápidos que la luz de 2011 no se puede explicar haciendo que los neutrinos se propaguen más rápido que la luz, sino que debe deberse a un error. en el experimento La investigación adicional del experimento mostró que los resultados eran de hecho erróneos.

Causalidad

El diagrama espacial que muestra que moverse más rápido que la luz implica viajar en el contexto de la relatividad especial. Una nave espacial parte de la Tierra de A a C más lenta que la luz. En B, la Tierra emite un taquión, que viaja más rápido que la luz pero hacia adelante en el tiempo en el marco de referencia de la Tierra. Alcanza la nave espacial en C. La nave espacial entonces envía otro taquión de vuelta a la Tierra de C a D. Este taquión también viaja a tiempo en el marco de referencia de la nave espacial. Esto permite que la Tierra envíe una señal de B a D, de vuelta en el tiempo.

La causalidad es un principio fundamental de la física. Si los taquiones pueden transmitir información más rápido que la luz, entonces, según la relatividad, violan la causalidad, lo que lleva a las paradojas lógicas de "mata a tu propio abuelo" escribe. Esto a menudo se ilustra con experimentos mentales como la "paradoja del teléfono taquiónico" o "autoinhibidor lógicamente pernicioso".

El problema se puede entender en términos de la relatividad de la simultaneidad en la relatividad especial, que dice que diferentes marcos de referencia inerciales estarán en desacuerdo sobre si dos eventos en diferentes lugares ocurrieron 'al mismo tiempo'. o no, y también pueden estar en desacuerdo sobre el orden de los dos eventos (técnicamente, estos desacuerdos ocurren cuando el intervalo de espacio-tiempo entre los eventos es 'similar al espacio', lo que significa que ninguno de los eventos se encuentra en el futuro cono de luz del otro).

Si uno de los dos eventos representa el envío de una señal desde un lugar y el segundo evento representa la recepción de la misma señal en otro lugar, mientras la señal se mueva a la velocidad de la luz o más lentamente, el las matemáticas de la simultaneidad aseguran que todos los marcos de referencia coincidan en que el evento de transmisión sucedió antes que el evento de recepción. Sin embargo, en el caso de una señal hipotética que se mueve más rápido que la luz, siempre habrá algunos cuadros en los que la señal se recibió antes de enviarse, por lo que se podría decir que la señal se movió hacia atrás en el tiempo. Debido a que uno de los dos postulados fundamentales de la relatividad especial dice que las leyes de la física deberían funcionar de la misma manera en cada marco inercial, si es posible que las señales retrocedan en el tiempo en cualquier marco, debe ser posible en todos los marcos. Esto significa que si el observador A envía una señal al observador B que se mueve más rápido que la luz en el marco de A, pero retrocede en el tiempo en el marco de B, y luego B envía una respuesta que se mueve más rápido que la luz en B. 39; pero hacia atrás en el tiempo en el marco de A, podría resultar que A recibe la respuesta antes de enviar la señal original, desafiando la causalidad en cada marco y abriendo la puerta a la lógica severa. paradojas. Esto se conoce como el antiteléfono taquiónico.

Principio de reinterpretación

El principio de reinterpretación afirma que un taquión enviado hacia atrás en el tiempo siempre se puede reinterpretar como un taquión que viaja hacia adelante en el tiempo, porque los observadores no pueden distinguir entre la emisión y la absorción de taquiones. El intento de detectar un taquión desde el futuro (y violar la causalidad) en realidad crearía el mismo taquión y lo enviaría adelante en el tiempo (que es causal).

Sin embargo, no se acepta ampliamente que este principio resuelva las paradojas. En cambio, lo que se requeriría para evitar paradojas es que, a diferencia de cualquier partícula conocida, los taquiones no interactúan de ninguna manera y nunca pueden ser detectados u observados, porque de lo contrario un haz de taquiones podría modularse y usarse para crear un anti-teléfono o un "autoinhibidor lógicamente pernicioso". Se cree que todas las formas de energía interactúan al menos gravitacionalmente, y muchos autores afirman que la propagación superlumínica en las teorías invariantes de Lorentz siempre conduce a paradojas causales.

Modelos fundamentales

En la física moderna, todas las partículas fundamentales se consideran excitaciones de campos cuánticos. Hay varias formas distintas en las que las partículas taquiónicas podrían integrarse en una teoría de campo.

Campos con masa imaginaria

En el artículo que acuñó el término 'taquión', Gerald Feinberg estudió los campos cuánticos invariantes de Lorentz con masa imaginaria. Debido a que la velocidad de grupo para tal campo es superlumínica, ingenuamente parece que sus excitaciones se propagan más rápido que la luz. Sin embargo, rápidamente se entendió que la velocidad del grupo superlumínico no corresponde a la velocidad de propagación de ninguna excitación localizada (como una partícula). En cambio, la masa negativa representa una inestabilidad a la condensación de taquiones, y todas las excitaciones del campo se propagan subluminalmente y son consistentes con la causalidad. A pesar de no tener una propagación más rápida que la luz, estos campos se denominan simplemente "taquiones" en muchas fuentes.

Los campos taquiónicos juegan un papel importante en la física moderna. Quizás el más famoso sea el bosón de Higgs del modelo estándar de física de partículas, que tiene una masa imaginaria en su fase no condensada. En general, el fenómeno de la ruptura espontánea de la simetría, que está estrechamente relacionado con la condensación de taquiones, juega un papel importante en muchos aspectos de la física teórica, incluidas las teorías de superconductividad de Ginzburg-Landau y BCS. Otro ejemplo de un campo taquiónico es el taquión de la teoría de cuerdas bosónicas.

Los taquiones son predichos por la teoría de cuerdas bosónicas y también por los sectores Neveu-Schwarz (NS) y NS-NS, que son respectivamente el sector bosónico abierto y el sector bosónico cerrado, de la teoría de supercuerdas RNS antes de la proyección OSG. Sin embargo, tales taquiones no son posibles debido a la conjetura de Sen, también conocida como condensación de taquiones. Esto resultó en la necesidad de la proyección OSG.

Teorías que violan Lorentz

En teorías que no respetan la invariancia de Lorentz, la velocidad de la luz no es (necesariamente) una barrera, y las partículas pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz sin energía infinita o paradojas causales. Una clase de teorías de campo de ese tipo son las denominadas extensiones del modelo estándar. Sin embargo, la evidencia experimental de la invariancia de Lorentz es extremadamente buena, por lo que tales teorías están muy limitadas.

Campos con término cinético no canónico

Al modificar la energía cinética del campo, es posible producir teorías de campo invariantes de Lorentz con excitaciones que se propagan superlumínicamente. Sin embargo, tales teorías, en general, no tienen un problema de Cauchy bien definido (por razones relacionadas con los problemas de causalidad discutidos anteriormente), y probablemente sean inconsistentes desde el punto de vista de la mecánica cuántica.

En la ficción

Los taquiones han aparecido en muchas obras de ficción. Se han utilizado como un mecanismo de reserva en el que confían muchos autores de ciencia ficción para establecer una comunicación más rápida que la luz, con o sin referencia a cuestiones de causalidad. La palabra taquión se ha vuelto ampliamente reconocida hasta tal punto que puede impartir una connotación de ciencia ficción incluso si el tema en cuestión no tiene una relación particular con los viajes superlumínicos (una forma de tecnopalabrería, similar a cerebro positrónico).