تاكيون

في نظرية لورنتز الثابتة ، يجب أن تنطبق نفس الصيغ التي تنطبق على الجسيمات العادية الأبطأ من الضوء (والتي تُسمى أحيانًا بالبراديونات في مناقشات التاكيونات) على التاكيونات أيضًا. وعلى وجه الخصوص، علاقة الطاقة بالزخم :

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

(حيث p هو الزخم النسبي للبراديون و m هي كتلته السكونية ) يجب أن يظل ساريًا، إلى جانب صيغة الطاقة الكلية للجسيم:

${\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}.}$

توضح هذه المعادلة أن الطاقة الكلية للجسيم (البراديون أو التاكيون) تحتوي على مساهمة من كتلته السكونية (طاقة الكتلة السكونية) ومساهمة من حركته، وهي الطاقة الحركية. عندما${\displaystyle v}$(سرعة الجسيم) أكبر من${\displaystyle c}$(سرعة الضوء)، يكون المقام في معادلة الطاقة عددًا تخيليًا ، لأن القيمة تحت الجذر التربيعي سالبة. ولأن الطاقة الكلية للجسيم يجب أن تكون حقيقية (وليست عددًا مركبًا أو تخيليًا) لكي يكون لها أي معنى عملي كقياس، يجب أن يكون البسط أيضًا تخيليًا (أي أن كتلة السكون m يجب أن تكون تخيلية، لأن قسمة عدد تخيلي محض على عدد تخيلي محض آخر ينتج عنه عدد حقيقي).

في بعض الصيغ الحديثة للنظرية، تُعتبر كتلة التاكيونات حقيقية. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

ومن الآثار الغريبة أن سرعة التاكيون، على عكس الجسيمات العادية، تزداد مع انخفاض طاقته. على وجه الخصوص،${\displaystyle E}$يقترب من الصفر عندما${\displaystyle v}$يقترب من اللانهاية. (بالنسبة للمادة البطيئة العادية،${\displaystyle E}$يزداد مع ازدياد السرعة، ليصبح كبيرًا بشكل تعسفي مع${\displaystyle v}$الأساليب${\displaystyle c}$( سرعة الضوء .) لذلك، وكما أن البرايديونات ممنوعة من كسر حاجز سرعة الضوء، فإن التاكيونات ممنوعة من التباطؤ إلى ما دون سرعة الضوء ، لأنه يلزم طاقة لا نهائية للوصول إلى الحاجز من الأعلى أو الأسفل.

كما أشار ألبرت أينشتاين وريتشارد سي تولمان وآخرون، فإن النسبية الخاصة تعني أنه إذا كانت الجسيمات أسرع من الضوء موجودة، فيمكن استخدامها للتواصل عبر الزمن . ^{[ 16 ]}

في عام ١٩٨٥، اقترح تشودوس أن النيوترينوات قد تمتلك طبيعة تاكيونية. ^{[ ١٧ ]} يمكن نمذجة إمكانية تحرك جسيمات النموذج القياسي بسرعات تفوق سرعة الضوء باستخدام حدود انتهاك تناظر لورنتز ، على سبيل المثال في امتداد النموذج القياسي . ^{[ ١٨ ] [ ١٩ ] [ ٢٠ ]} في هذا الإطار، تخضع النيوترينوات لتذبذبات تنتهك تناظر لورنتز، ويمكنها أن تسافر بسرعة تفوق سرعة الضوء عند الطاقات العالية. وقد وُجهت انتقادات شديدة لهذا الاقتراح. ^{[ ٢١ ]}

إذا كانت التاكيونات قادرة على نقل المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء، فإنها، وفقًا لنظرية النسبية، تُخالف مبدأ السببية، مما يؤدي إلى مفارقات منطقية من نوع "قتل جدك" . ويُوضَّح هذا غالبًا بتجارب فكرية مثل "مفارقة هاتف التاكيون" ^{[ 16 ]} أو "المثبط الذاتي الضار منطقيًا" ^{[ 22 ] .}

يمكن فهم المشكلة من منظور نسبية التزامن في النسبية الخاصة، والتي تنص على أن الأطر المرجعية العطالية المختلفة ستختلف حول ما إذا كان حدثان في موقعين مختلفين قد وقعا "في نفس الوقت" أم لا، وقد تختلف أيضًا حول ترتيب وقوع الحدثين. (من الناحية الفنية، تحدث هذه الاختلافات عندما تكون الفترة الزمنية بين الحدثين "فضائية"، أي أن أيًا من الحدثين لا يقع ضمن مخروط الضوء المستقبلي للآخر). ^{[ 23 ]}

إذا كان أحد الحدثين يُمثل إرسال إشارة من موقع ما، والحدث الثاني يُمثل استقبال الإشارة نفسها في موقع آخر، فإنه طالما كانت الإشارة تتحرك بسرعة الضوء أو أبطأ، فإن قوانين التزامن تضمن أن تتفق جميع الأطر المرجعية على أن حدث الإرسال قد وقع قبل حدث الاستقبال. ^{[ 23 ]} مع ذلك، في حالة إشارة افتراضية تتحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء، ستكون هناك دائمًا بعض الأطر التي استُقبلت فيها الإشارة قبل إرسالها، بحيث يُمكن القول إن الإشارة قد تحركت عكسيًا في الزمن. ولأن أحد الفرضيتين الأساسيتين للنسبية الخاصة ينص على أن قوانين الفيزياء يجب أن تعمل بالطريقة نفسها في كل إطار مرجعي قصوري، فإذا كان من الممكن للإشارات أن تتحرك عكسيًا في الزمن في أي إطار مرجعي، فلا بد أن يكون ذلك ممكنًا في جميع الأطر. هذا يعني أنه إذا أرسل المراقب (أ) إشارةً إلى المراقب (ب) تتحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء في إطار (أ) ولكنها تسير عكس الزمن في إطار (ب)، ثم أرسل (ب) ردًا يتحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء في إطار (ب) ولكنه يسير عكس الزمن في إطار (أ)، فقد يتضح أن (أ) يستقبل الرد قبل إرسال الإشارة الأصلية، مما يُشكك في مبدأ السببية في كل إطار ويفتح الباب أمام مفارقات منطقية خطيرة. ^{[ 24 ]} يُعرف هذا باسم "الهاتف المضاد التاكيوني" .

في الورقة البحثية التي صاغت مصطلح "التاكيون"، درس جيرالد فاينبرغ الحقول الكمومية الثابتة لورنتز ذات الكتلة التخيلية . ^{[ 8 ]} ولأن سرعة المجموعة لمثل هذا الحقل تفوق سرعة الضوء ، يبدو للوهلة الأولى أن إثاراته تنتشر بسرعة تفوق سرعة الضوء. ومع ذلك، سرعان ما اتضح أن سرعة المجموعة التي تفوق سرعة الضوء لا تتوافق مع سرعة انتشار أي إثارة موضعية (مثل الجسيم). بدلاً من ذلك، تمثل الكتلة السالبة عدم استقرار لتكثيف التاكيون ، وتنتشر جميع إثارات الحقل بسرعة أقل من سرعة الضوء، وهي متوافقة مع السببية. ^{[ 26 ]} على الرغم من عدم وجود انتشار أسرع من الضوء، يُشار إلى هذه الحقول ببساطة باسم "التاكيونات" في العديد من المصادر. ^{[ 11 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 2 ]}

تلعب الحقول التاكيونية دورًا هامًا في الفيزياء الحديثة. ولعل أشهرها بوزون هيغز في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، والذي يمتلك كتلة تخيلية في حالته غير المكثفة. وبشكل عام، تلعب ظاهرة كسر التناظر التلقائي ، المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتكثيف التاكيون، دورًا هامًا في العديد من جوانب الفيزياء النظرية، بما في ذلك نظريتي جينزبورغ-لانداو و BCS للموصلية الفائقة. ومن الأمثلة الأخرى على الحقول التاكيونية تاكيون نظرية الأوتار البوزونية . ^{[ 27 ] [ 30 ]}

تنبأت نظرية الأوتار البوزونية، وكذلك قطاعا نيفو-شفارتز (NS) و NS-NS ، وهما على التوالي القطاع البوزوني المفتوح والقطاع البوزوني المغلق، في نظرية الأوتار الفائقة RNS قبل إسقاط GSO ، بوجود التاكيونات . إلا أن وجود هذه التاكيونات غير ممكن بسبب حدسية سين ، المعروفة أيضًا بتكثيف التاكيون . وقد أدى ذلك إلى ضرورة إسقاط GSO .

في النظريات التي لا تحترم ثبات لورنتز ، لا تُشكّل سرعة الضوء (بالضرورة) عائقًا، ويمكن للجسيمات أن تتحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء دون طاقة لا نهائية أو مفارقات سببية. يُطلق على فئة من نظريات المجال من هذا النوع اسم " امتداد النموذج القياسي" . ومع ذلك، فإن الأدلة التجريبية على ثبات لورنتز قوية للغاية، لذا فإن هذه النظريات مقيدة بشدة. ^{[ 31 ] [ 32 ] : 60}

من خلال تعديل الحد الحركي للحقل، يُمكن إنتاج نظريات حقل ثابتة لورنتز مع إثارات تنتشر بسرعة تفوق سرعة الضوء. ^{[ 26 ] [ 33 ]} ومع ذلك، فإن هذه النظريات، بشكل عام، لا تمتلك مشكلة كوشي محددة جيدًا (لأسباب تتعلق بقضايا السببية التي نوقشت أعلاه)، وربما تكون غير متسقة من الناحية الكمومية.