المجال التاكيوني

في الفيزياء ، يُعرف الحقل التاكيوني ، أو ببساطة التاكيون ، بأنه حقل كمومي ذو كتلة تخيلية . ^{[ 1 ]} على الرغم من أن الجسيمات التاكيونية ( الجسيمات التي تتحرك بسرعة تفوق سرعة الضوء ) هي مفهوم افتراضي بحت يخالف عددًا من المبادئ الفيزيائية الأساسية، إلا أنه يُعتقد بوجود حقل واحد على الأقل ذي كتلة تخيلية، وهو حقل هيغز . لا تنتشر أي إثارة للحقول التاكيونية أبدًا بسرعة تفوق سرعة الضوء - فوجود أو غياب الكتلة التاكيونية (التخيلية) لا يؤثر على السرعة القصوى للإشارات، وبالتالي، على عكس الجسيمات الأسرع من الضوء، لا يوجد انتهاك لمبدأ السببية . ^{[ 2 ]} تلعب الحقول التاكيونية دورًا مهمًا في الفيزياء ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} وتُناقش في الكتب الشائعة. ^{[ 1 ] [ 6 ]}

صاغ جيرالد فاينبرغ مصطلح " التاكيون " في ورقة بحثية عام 1967 ^{[ 7 ]} تناولت دراسة الحقول الكمومية ذات الكتلة التخيلية . اعتقد فاينبرغ أن هذه الحقول تسمح بانتشار الجسيمات بسرعة تفوق سرعة الضوء ، ولكن سرعان ما تبين أن هذا غير صحيح. ^{[ 2 ]} فبدلاً من ذلك، تُحدث الكتلة التخيلية حالة عدم استقرار: أي تكوين يحتوي على واحد أو أكثر من إثارات الحقول التاكيونية سيتلاشى تلقائيًا، ولن يحتوي التكوين الناتج على أي تاكيونات مادية. تُعرف هذه العملية بتكثيف التاكيون . ومن الأمثلة الشهيرة على ذلك تكثيف بوزون هيغز في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات .

في الفيزياء الحديثة، تُعتبر جميع الجسيمات الأساسية إثارات موضعية للحقول. وتُعدّ التاكيونات حالةً استثنائيةً لأن عدم استقرارها يمنع وجود أي إثارات موضعية من هذا القبيل. فأي اضطراب موضعي، مهما كان صغيرًا، يُطلق سلسلةً متناميةً أُسّيًا تُؤثّر بقوة على الفيزياء في كل مكان داخل مخروط الضوء المستقبلي لهذا الاضطراب. ^{[ 2 ]}

تلعب ظاهرة كسر التناظر التلقائي ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتكثيف التاكيون، دورًا محوريًا في العديد من جوانب الفيزياء النظرية، بما في ذلك نظريات جينزبورغ-لانداو و BCS للموصلية الفائقة.

وتشمل الأمثلة الأخرى حقل التضخم في نماذج معينة للتضخم الكوني (مثل التضخم الجديد ^{[ 10 ] [ 11 ]} )، والتاكيون في نظرية الأوتار البوزونية . ^{[ 6 ] [ 12 ] [ 13 ]}

في نظرية الحقل الكمومي ، التاكيون هو كمٌّ من حقل - عادةً ما يكون حقلاً قياسياً - تكون كتلته التربيعية سالبة، ويُستخدم لوصف كسر التناظر التلقائي : وجود مثل هذا الحقل يعني عدم استقرار فراغ الحقل؛ يكون الحقل عند قيمة عظمى محلية بدلاً من قيمة صغرى محلية لطاقته الكامنة، تماماً مثل كرة على قمة تل. نبضة صغيرة جداً (والتي ستحدث دائماً بسبب التقلبات الكمومية) ستؤدي إلى تدحرج الحقل (الكرة) إلى أسفل بسعات متزايدة أُسّياً: ستُحفّز تكثف التاكيون. بمجرد أن يصل حقل التاكيون إلى الحد الأدنى من الطاقة الكامنة، فإن كماتّه لم تعد تاكيونات، بل أصبحت ذات كتلة تربيعية موجبة. بوزون هيغز في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات مثال على ذلك. ^{[ 9 ]}

من الناحية الفنية، يمثل مربع الكتلة المشتقة الثانية للجهد الفعال . في حالة المجال التاكيوني، تكون المشتقة الثانية سالبة، مما يعني أن الجهد الفعال يكون عند قيمة عظمى محلية بدلاً من قيمة صغرى محلية. لذلك، فإن هذه الحالة غير مستقرة، وسيؤدي المجال إلى انخفاض الجهد.

لأن مربع كتلة التاكيون سالب، فإنه يمتلك، من الناحية النظرية، كتلة تخيلية. هذه حالة خاصة من القاعدة العامة، حيث تُوصف الجسيمات الضخمة غير المستقرة، من الناحية النظرية، بأنها تمتلك كتلة مركبة ، يكون الجزء الحقيقي منها هو كتلتها بالمعنى المعتاد، والجزء التخيلي هو معدل التحلل بالوحدات الطبيعية . ^{[ 9 ]}

مع ذلك، في نظرية الحقل الكمومي ، يُعرَّف الجسيم (حالة الجسيم الواحد) تقريبًا بأنه حالة ثابتة بمرور الزمن، أي قيمة ذاتية للهاميلتوني . أما الجسيم غير المستقر فهو حالة ثابتة تقريبًا بمرور الزمن؛ فإذا استمر وجوده لفترة كافية لقياسه، يُمكن وصفه رسميًا بأنه ذو كتلة مركبة، حيث يكون الجزء الحقيقي من الكتلة أكبر من الجزء التخيلي. إذا كان كلا الجزأين متساويين في المقدار، يُفسَّر ذلك على أنه رنين يظهر في عملية تشتت وليس جسيمًا، إذ يُعتقد أنه لا يستمر لفترة كافية لقياسه بشكل مستقل عن عملية التشتت. في حالة التاكيون، يكون الجزء الحقيقي من الكتلة صفرًا، وبالتالي لا يُمكن إسناد مفهوم الجسيم إليه.

حتى في حالة الحقول الكمومية التاكيونية، تظل مؤثرات الحقل عند نقاط منفصلة مكانيًا تتبادل (أو تتضاد)، مما يحافظ على مبدأ السببية. ولأسباب وثيقة الصلة، فإن السرعة القصوى للإشارات المرسلة بواسطة حقل تاكيوني محدودة بدقة من الأعلى بسرعة الضوء. ^{[ 2 ]} لذلك، لا تنتقل المعلومات أبدًا بسرعة تفوق سرعة الضوء بغض النظر عن وجود الحقول التاكيونية أو عدم وجودها.

جميع أمثلة الحقول التاكيونية هي حالات كسر التناظر التلقائي. في فيزياء المادة المكثفة، يُعدّ المغناطيسية الحديدية مثالاً بارزاً ؛ أما في فيزياء الجسيمات، فأشهر مثال هو آلية هيغز في النموذج القياسي .

في نظرية الأوتار ، تُفسَّر التاكيونات بنفس تفسيرها في نظرية الحقل الكمومي. ومع ذلك، تستطيع نظرية الأوتار، من حيث المبدأ على الأقل، ليس فقط وصف فيزياء الحقول التاكيونية، بل أيضاً التنبؤ بظهور هذه الحقول من عدمه.

تظهر الحقول التاكيونية بالفعل في العديد من نسخ نظرية الأوتار . وبشكل عام، تنص نظرية الأوتار على أن ما نراه على أنه "جسيمات" (إلكترونات، فوتونات، غرافيتونات، وما إلى ذلك) هي في الواقع حالات اهتزازية مختلفة لنفس الوتر الأساسي. ويمكن استنتاج كتلة الجسيم من الاهتزازات التي يُظهرها الوتر؛ وبشكل تقريبي، تعتمد الكتلة على "النغمة" التي يُصدرها الوتر. وتظهر التاكيونات بشكل متكرر في طيف حالات الوتر المسموح بها، بمعنى أن بعض الحالات لها كتلة تربيعية سالبة، وبالتالي كتلة تخيلية. إذا ظهر التاكيون كنمط اهتزازي لوتر مفتوح ، فهذا يشير إلى عدم استقرار نظام غشاء D الأساسي الذي يرتبط به الوتر. ^{[ 14 ]} سيتحلل النظام بعد ذلك إلى حالة من الأوتار المغلقة و/أو أغشية D مستقرة. إذا كان التاكيون نمطًا اهتزازيًا لوتر مغلق، فهذا يشير إلى عدم استقرار في الزمكان نفسه. وبشكل عام، ليس من المعروف (أو النظري) إلى ماذا سيتحلل هذا النظام. ومع ذلك، إذا تم تحديد موقع التاكيون ذي السلسلة المغلقة حول نقطة تفرد الزمكان، فإن نقطة نهاية عملية الاضمحلال غالباً ما تكون قد حلت نقطة التفرد.

• غشاء دي
• ملحق النموذج القياسي
• مجموعة بوانكاريه
• النفق الكمومي
• هاتف مضاد تاكيوني

• الأسئلة الشائعة حول السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء (من أرشيف الإنترنت )
• فايستين، إريك وولفغانغ (محرر). "تاكيون" . عالم العلوم .
• مدخل التاكيون من الأسئلة الشائعة في الفيزياء