Тахионы: факты об этих частицах, движущихся быстрее света

Путешествие быстрее света и путешествия во времени могут быть реальностью для тахионов. Научная фантастика в чем-то и преуспела, так это в том, что она позволяет нам восхищаться нарушением физических законов Вселенной.

Мы с удивлением наблюдаем и читаем, как варп-двигатели звездолета «Энтерпрайз» доводят его до скорости, превышающей скорость света, или как Барри или Уолли — кто бы в то время ни носил имя Флэш — делают то же самое не более чем за пару секунд. желтых сапог.

Точно так же нам нравятся рассказы о таких искателях приключений, как Доктор или Док Браун, которые используют странные, на первый взгляд устаревшие механизмы, чтобы нарушить законы причинности.

Что, если бы существовала элементарная частица, которая могла бы делать все это? Двигаться быстрее света, как Вспышка, и путешествовать во времени без необходимости в ТАРДИС, Делорианском или желтых ботинках. Это тахион. Но не заблуждайтесь, эти частицы — не просто безделье писателей-фантастов. Тахионы — это материал «твердой» науки.

Тахионы — один из самых интересных элементов специальной теории относительности Эйнштейна. Теория 1905 года основана на двух постулатах: ничто с массой не движется быстрее скорости света (c), а физические законы остаются неизменными во всех неинерциальных системах отсчета.

Важным следствием специальной теории относительности является тот факт, что пространство и время объединены в единое целое; пространство-время. Это означает, что путешествие частицы со скоростью связано с ее путешествием во времени. Термин «тахион» впервые вошел в научную литературу в 1967 году в статье физика из Колумбийского университета Джеральда Фейнберга.

«Возможность частиц быстрее скорости света». Файнберг утверждал, что тахионные частицы возникнут из квантового поля с «мнимой массой», объясняя, почему первая популяция специальной теории относительности не ограничивает их скорость. Это привело бы к существованию во Вселенной двух типов частиц; брадионы, которые движутся медленнее света и составляют всю материю, которую мы видим вокруг нас, и тахионы, движущиеся быстрее света, согласно данным Питтсбургского университета.

Одно из ключевых различий между этими типами частиц заключается в том, что по мере того, как к брадионам добавляется энергия, они ускоряются. Но у тахионов, когда энергия забирается, их скорость увеличивается.

Одним из наиболее важных и значимых результатов специальной теории относительности Эйнштейна является установление универсального предела скорости c; скорость света в вакууме. Эйнштейн предположил, что по мере приближения объекта c его масса становится почти бесконечной, как и энергия, необходимая для его ускорения.

Это должно означать, что ничто не может двигаться быстрее света. Но представьте себе антимасовую частицу, такую ​​как тахион, в ее самом низком энергетическом состоянии она будет ускоряться с. Но почему это привело к путешествию во времени назад? Все это зависит от концепции, которая помещает «относительное» в «специальную теорию относительности». Распространенным инструментом, используемым для объяснения специальной теории относительности, является диаграмма пространства-времени.

Пространство-время наполнено событиями, начиная от космически мощных и жестоких, таких как взрыв сверхновой далекой звезды, и заканчивая мирскими событиями, такими как раскол яйца на кухонном полу. И они отображаются на диаграмме пространства-времени. Эта диаграмма показывает, как частица летит в пространстве-времени, она очерчивает мировую линию, отображающую ее продвижение.

Также пространство-время заполняют наблюдатели, у каждого из которых есть своя система отсчета. Эти наблюдатели могут видеть события, заполняющие пространство-время, происходящие в разном порядке. Наблюдатель 1 может увидеть событие A, сверхновую, которое происходит до события B, когда яйцо раскололось. Тем не менее, наблюдатель 2 может увидеть событие B перед событием A.

С каждым событием связан световой конус. Если событие B попадает в световой конус события A, то эти два события могут быть причинно связаны. Сверхновая могла сбить яйцо с кухонной стойки — а может, падающий предмет для завтрака каким-то образом вызвал полный гравитационный коллапс умирающей звезды. Это потому, что в световом конусе сигнал, движущийся медленнее света, может связать события.

Края светового конуса обозначают скорость света. Чтобы связать событие за пределами светового конуса с событием внутри него, требуется сигнал, который движется быстрее света. Если событие A находится в световом конусе, а событие B — вне его, то сверхновая и связанная с яйцом трагедия не могут быть причинно связаны.

Но тахион, движущийся со скоростью, превышающей скорость света, может нарушить причинно-следственную связь, связав эти события. Чтобы понять, почему это проблема, рассмотрите это так. Событие изображения A — это отправка сигнала, а событие B — это получение этого сигнала. Если этот сигнал распространяется со скоростью света или медленнее, все наблюдатели в разных системах отсчета соглашаются, что A предшествует B.

Но если этот сигнал переносится тахионом и, таким образом, движется быстрее света, появятся опорные кадры, в которых говорится, что сигнал был получен до его отправки. Таким образом, для наблюдателя в этом кадре тахион перемещается назад во времени.

Один из фундаментальных постулатов специальной теории относительности состоит в том, что законы физики должны быть одинаковыми во всех неускоряющих системах отсчета. Это означает, что если тахионы могут нарушать причинно-следственную связь и двигаться назад во времени в одной системе отсчета, они могут делать это во всех.

Чтобы увидеть, как это приводит к проблемам, называемым парадоксами, рассмотрим двух наблюдателей: Стеллу на борту космического корабля, вращающегося вокруг Земли, и Терру, находящуюся на поверхности планеты. Эти двое общаются, отправляя сообщения с помощью тахионов.

Это означает, что если Стелла посылает сигнал Терре, который движется быстрее света в кадре Стеллы, но назад во времени в кадре Терры. Затем Терра отправляет ответ в соответствии с приказом, который движется быстрее света в ее кадре, но назад во времени в кадре Стеллы, Стелла могла получить ответ перед отправкой исходного сигнала. Что, если этот ответный сигнал от Терры говорит «не отправлять никаких сигналов»?

Тогда Стелла не отправляет исходный сигнал, и тогда Терре не на что реагировать, и он никогда не отправляет тахионный сигнал, который говорит: «Не отправляйте никаких сигналов». Таким образом, тахионы не только нарушают причинно-следственную связь в каждом кадре, но и открывают двери для серьезных логических парадоксов. Есть предложения, как избежать этих парадоксов. Конечно, самое простое решение — тахионов не существует.

Менее суровое предположение состоит в том, что наблюдатели в разных системах отсчета не могут различить излучение и поглощение тахионов. Это означает, что тахион, путешествующий во времени, всегда можно интерпретировать как тахион, движущийся вперед во времени, потому что получение тахиона из будущего всегда создает один и тот же тахион и отправляет его вперед во времени.

Другое предположение состоит в том, что тахионы не похожи ни на какие другие известные нам частицы тем, что они не взаимодействуют и никогда не могут быть обнаружены или наблюдаемы. Это означает, что тахионная система связи, используемая Стеллой и Террой в приведенном выше примере, не может существовать.

В том же духе другие исследователи говорят, что тахионы нельзя контролировать. Получение и испускание тахионов происходит случайно. Таким образом, нет способа отправить тахион с сообщением, нарушающим причинно-следственную связь.

Помимо того факта, что они, как и другие частицы, вероятно, непостижимо крошечные, поскольку тахионы всегда движутся быстрее света, их невозможно обнаружить при их приближении. Это потому, что он движется быстрее любых связанных фотонов.

После того, как он пройдет, наблюдатель увидит, как изображение тахиона разделено на два отдельных изображения. Это показало бы, что он одновременно прибывает в одном направлении и исчезает в противоположном направлении.

Если обнаружение тахионов, по крайней мере, их приближения, с помощью света невозможно, есть ли другой способ обнаружить их быстрее, чем световые частицы? Возможно. Предполагается, что тахионы имеют «антимассу», но она все еще составляет энергию массы. Это означает, что эти частицы все еще должны обладать некоторым гравитационным эффектом.

Возможно, этот эффект могут обнаружить высокочувствительные детекторы. Альтернативный метод обнаружения мог возникнуть из-за того, что они работают быстрее света. Хотя скорость света в вакууме c является универсальным ограничением скорости, частицы были созданы для того, чтобы двигаться быстрее света в других средах.

По данным Международного агентства по атомной энергии, когда электрически заряженные частицы ускоряются до скорости света и выше в определенных средах, таких как вода, они испускают форму излучения, называемую излучением Черенкова. Это означает, что если тахионы электрически заряжены, одним из способов их обнаружения было бы измерение черенковского излучения в почти вакууме космоса.

Что действительно демонстрируют тахионы, так это важность воображения в нашем непрекращающемся стремлении понять Вселенную. Они могут не существовать, и если они существуют, у нас может не быть надежды когда-либо измерить их. Но то, что наши технологии не могут уловить, может уловить наш разум.

Мы можем рассмотреть возможность частицы, которая путешествует во времени, и что это говорит о природе времени, Вселенной и событиях, которые их наполняют. Считается, что в интервью с Джорджем Сильвестром Виереком, опубликованном в «The Saturday Evening Post» в 1929 году, Альберт Эйнштейн сказал: «Воображение важнее знаний. Знания ограничены. Воображение окружает мир».