Taquión Tachyon

Taquión

Debido a que un taquión siempre viajaría más rápido que la luz, no sería posible verlo acercarse. Después de que un taquión haya pasado cerca, un observador podría ver dos imágenes de él, apareciendo y alejándose en direcciones opuestas. Este efecto de doble imagen es más prominente para un observador ubicado directamente en la trayectoria de un objeto superluminal (en este ejemplo es una esfera, mostrada en gris transparente). Debido a que el taquión llega antes que la luz, el observador no ve nada hasta que la esfera ya ha pasado, después de lo cual (desde la perspectiva del observador) la imagen parece dividirse en dos: una de la esfera que llega (a la derecha) y otra de la que sale. esfera (a la izquierda).
Clasificación	Partículas elementales
Estado	hipotético
Teorizado	1967

A tachyon ( / t æ k i ɒ n / ) o partícula taquiónico es una hipotética partícula que siempre viaja más rápido que la luz . La mayoría de los físicos creen que las partículas más rápidas que la luz no pueden existir porque no son consistentes con las leyes físicas conocidas. Si tales partículas existieran y pudieran enviar señales más rápido que la luz, entonces, según la teoría de la relatividad , violarían la causalidad , lo que conduciría a paradojas lógicas como la paradoja del abuelo . Los taquiones también exhibirían la propiedad inusual de aumentar en velocidad a medida que su energía disminuye, y requerirían energía infinita para disminuir a la velocidad de la luz. No se ha encontrado evidencia experimental 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 no permitía velocidades superlumínicas (más rápidas que la luz). Sin embargo, en la física moderna, el término taquión a menudo se refiere a campos de masa imaginarios en lugar de a partículas más rápidas que la luz. Estos campos han llegado a desempeñar un papel importante en la física moderna .

El término proviene del griego : ταχύ , taquicardia , lo que significa rápido . Los tipos de partículas complementarias se denominan 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 existen ambos tipos de partículas.

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" de James Blish . Feinberg estudió la cinemática de tales partículas según la relatividad especial . En su artículo también introdujo campos con masa imaginaria (ahora también denominados taquiones) en un intento de 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 llamó "metapartículas". Las discusiones más recientes ocurrieron en 1962 y 1969.

La posibilidad de la existencia de partículas más rápidas que la luz también fue propuesta por Lev Yakovlevich Shtrum en 1923 (ver https://arxiv.org/abs/2107.10739 y referencias allí).

En septiembre de 2011, se informó que un neutrino tau había viajado más rápido que la velocidad de la luz en un lanzamiento 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 sincronización de fibra óptica del experimento.

Taquiones en la relatividad

En la relatividad especial , una partícula más rápida que la luz tendría cuatro momentos similares al espacio , en contraste con las partículas ordinarias que tienen cuatro momentos similares al tiempo . Aunque en algunas teorías la masa de los taquiones se considera imaginaria , en algunas formulaciones modernas la masa se considera real, redefiniéndose las fórmulas para el momento y la energía con este fin. Además, dado que los taquiones están restringidos a la porción espacial del gráfico de energía-momento, no pueden 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-momento :

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

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

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

Esta ecuación muestra que la energía total de una partícula (bradion o taquión) contiene una contribución de su masa en reposo (la "masa en reposo-energía") y una contribución de su movimiento, la energía cinética. Cuando (la velocidad de la partícula) es mayor que (la velocidad de la luz), el denominador en la ecuación de la energía es imaginario , ya que el valor debajo de 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 que tenga algún significado práctico como medida, el numerador también debe ser imaginario: es decir, la masa en reposo m debe ser imaginaria, como un imaginario puro. número dividido por otro número imaginario puro es un número real. ${\ Displaystyle v}$${\ Displaystyle c}$

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 taquión aumenta a medida que disminuye su energía. En particular, se acerca a cero cuando se acerca al infinito. (Para la materia bradónica ordinaria, aumenta al aumentar la velocidad, volviéndose arbitrariamente grande a medida que se acerca , la velocidad de la luz ). Por lo tanto, así como a los bradiones se les prohíbe romper la barrera de la velocidad de la luz, también se les prohíbe a los taquiones disminuir su velocidad por debajo de c , porque se requiere energía infinita para alcanzar la barrera desde arriba o desde abajo. ${\ Displaystyle E}$${\ Displaystyle v}$${\ Displaystyle E}$${\ Displaystyle v}$${\ Displaystyle c}$

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 más rápidas que la luz se puede modelar utilizando términos que violen 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 de Cherenkov

Un taquión con carga eléctrica perdería energía como la 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 fuerte). Un taquión cargado que viaja en el vacío, por lo tanto, sufre una aceleración constante en el tiempo y, por necesidad, su línea de mundo forma una hipérbola en el espacio-tiempo. Sin embargo, reducir la energía de un taquión aumenta su velocidad, de modo que la hipérbola única formada es de dos taquiones cargados opuestamente con momentos opuestos (misma magnitud, signo opuesto) que se aniquilan entre sí cuando alcanzan simultáneamente una velocidad infinita en el mismo lugar en el espacio. (A una velocidad infinita, los dos taquiones no tienen energía cada uno y 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 gravitacional de Cherenkov (a menos que los gravitones sean en sí mismos taquiones ), porque tiene una masa gravitacional y, por lo tanto, aumenta su velocidad a medida que viaja, como se describió anteriormente. Si el taquión interactúa con otras partículas, también puede irradiar energía de Cherenkov a 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. Una mayor investigación del experimento mostró que los resultados eran realmente erróneos.

Causalidad

Diagrama de espacio-tiempo que muestra que moverse más rápido que la luz implica viajar en el tiempo en el contexto de la relatividad especial . Una nave espacial sale de la Tierra de A a C más lento que la luz. En B, la Tierra emite un taquión, que viaja más rápido que la luz pero avanza en el tiempo en el marco de referencia de la Tierra. Llega a la nave espacial en C. La nave espacial envía otro taquión de regreso a la Tierra de C a D. Este taquión también viaja hacia adelante en el tiempo en el marco de referencia de la nave espacial. Esto permite efectivamente que la Tierra envíe una señal de B a D, hacia atrás 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 paradojas lógicas del tipo "mata a tu propio abuelo" . Esto se ilustra a menudo con experimentos mentales como la "paradoja del teléfono taquiónico" o el "autoinhibidor lógicamente pernicioso".

El problema puede entenderse en términos de la relatividad de la simultaneidad en la relatividad especial, que dice que diferentes marcos de referencia inerciales no estarán de acuerdo sobre si dos eventos en diferentes ubicaciones 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 cono de luz futuro del otro).

Si uno de los dos eventos representa el envío de una señal desde una ubicación y el segundo evento representa la recepción de la misma señal en otra ubicación, siempre que la señal se mueva a la velocidad de la luz o más lenta, las matemáticas de la simultaneidad asegura que todos los marcos de referencia estén de acuerdo en que el evento de transmisión ocurrió antes del evento de recepción. Sin embargo, en el caso de que una señal hipotética se mueva más rápido que la luz, siempre habrá algunos cuadros en los que la señal se recibió antes de ser enviada, por lo que podría decirse que la señal se ha movido 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 hacia atrás en el tiempo en el marco de B, y luego B envía una respuesta que se mueve más rápido que la luz en el marco de B pero hacia atrás en el tiempo en el marco de A, podría resultar que A reciba la respuesta antes de enviar la señal original, desafiando la causalidad en cada cuadro y abriendo la puerta a graves paradojas lógicas. Esto se conoce como antitelephone taquiónico .

Principio de reinterpretación

El principio de reinterpretación afirma que un taquión enviado 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 del futuro (y violar la causalidad) en realidad crearía el mismo taquión y lo enviaría hacia adelante en el tiempo (que es causal).

Sin embargo, este principio no es ampliamente aceptado como solución a 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 rayo 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 superluminal 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 superluminal , ingenuamente parece que sus excitaciones se propagan más rápido que la luz. Sin embargo, se comprendió rápidamente que la velocidad del grupo superluminal no corresponde a la velocidad de propagación de ninguna excitación localizada (como una partícula). En cambio, la masa negativa representa una inestabilidad para la condensación del taquión , 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 es 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 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 campo taquiónico es el taquión de la teoría de cuerdas bosónicas .

Los taquiones son predichos por la teoría de cuerdas bosónicas y también los sectores de 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 de la 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 las 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 llamadas extensiones del modelo estándar . Sin embargo, la evidencia experimental de la invariancia de Lorentz es extremadamente buena, por lo que estas teorías están muy restringidas.

Campos con término cinético no canónico

Modificando la energía cinética del campo, es posible producir teorías de campo invariante de Lorentz con excitaciones que se propagan superluminalmente. Sin embargo, tales teorías, en general, no tienen un problema de Cauchy bien definido (por razones relacionadas con las cuestiones de causalidad discutidas anteriormente), y probablemente sean inconsistentes mecánicamente cuánticamente.

En ficción

Los taquiones han aparecido en muchas obras de ficción. Se han utilizado como un mecanismo de reserva en el que se basan 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 sujeto en cuestión no tiene una relación particular con los viajes superlumínicos (una forma de tecno-charlatanería , similar al cerebro positrónico ).

Ver también

• Oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz
• Partícula masiva - bradyon, también conocido como tardyon
• Partícula sin masa - luxon
• Retrocausalidad
• Antitelefono taquiónico
• Partícula virtual
• Teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman

Notas al pie

Referencias

enlaces externos

• "Preguntas frecuentes más rápido que la luz (FTL)" . Universidad Estatal de Iowa . Archivado desde el original el 21 de noviembre de 2000.
• Weisstein, Eric Wolfgang (ed.). "Taquión" . ScienceWorld .
• "Taquiones" . Matemáticas. Preguntas frecuentes de Física / Partículas y Nuclear. Riverside, CA: Universidad de California .