nauki ścisłe
Autor: Jacek Ciborowski, Jakub Rembieliński | dodano: 2012-08-09
Co to są tachiony?

Co to są tachiony?

Odpowiadają prof. dr hab. Jacek Ciborowski z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz prof. dr hab. Jakub Rembieliński z Uniwersytetu Łódzkiego.

Pojęcie cząstki szybszej niż światło, czyli tachionu (z języka greckiego ταχύς, tachýs – szybki, prędki) zostało wprowadzone do nauki w 1962 roku przez George’a Sudarshana i jego współpracowników – Oleksę Bilaniuka oraz Vijaya Desphande. Ich istnienie sugeruje wizja pewnego rodzaju symetrii w przyrodzie: skoro są cząstki poruszające się zawsze z prędkościami mniejszymi od prędkości światła (cząstki obdarzone masą – bradiony – z języka greckiego βραδύς, bradýs – powolny), to czy nie powinny też istnieć cząstki poruszające się z prędkościami zawsze od niej większymi?

Tachionów nie można opisać w sposób spójny w ramach szczególnej teorii względności Einsteina (podstawowy problem to łamanie zasady przyczynowości), jednak można pewne ich własności w ramach tej teorii wyprowadzić, co właśnie zrobił Sudarshan wraz ze swoimi współpracownikami. Teoria poprawnie opisująca tachiony wymaga wprowadzenia wyróżnionego układu odniesienia i pewnej szczególnej (absolutnej) procedury synchronizacji zegarów [patrz: Jacek Ciborowski, Jakub Rembieliński „Tachiony. Cząstki szybsze od światła”; Wiedza i Życie, grudzień 2011]. W układzie wyróżnionym opis kinematyki tachionów pokrywa się ze standardowym opisem szczególnej teorii względności, dlatego ograniczymy się dalej do takiego przypadku.

Rozważmy tzw. związek dyspersyjny, łączący energię E, pęd p i masę cząstki m, będący uogólnieniem słynnego równania Einsteina E = mc² . Dla zwykłej cząstki ma on postać (E / c)² – p² = m²c², gdzie m jest masą spoczynkową cząstki (dla fotonu oczywiście zachodzi E / c = p). Natomiast dla tachionu przechodzi on w (E / c)² – p² = – m²c²; gdzie m jest wielkością, którą można by nazwać, niezupełnie poprawnie, ponieważ wielkość ta nie ma nic wspólnego z naszym intuicyjnym rozumieniem masy, masą tachionową. Zwróćmy uwagę, że o ile zwykła cząstka może spoczywać względem obserwatora, o tyle tachion nie – on zawsze musi być w ruchu i to z prędkością większą niż c. Nie można znaleźć takiego układu odniesienia związanego z „obserwatorem bradionowym” (a więc mającym masę w zwykłym sensie), w którym tachion by spoczywał! Z relacji dyspersyjnych wynika zależność energii cząstki o ustalonej masie m od jej prędkości v i odwrotnie. W przypadku zwykłych cząstek energia dana jest wzorem    natomiast dla tachionów wzorem . Przy wzroście prędkości zwykłej cząstki jej energia kinetyczna dąży do nieskończoności, gdy prędkość ta zbliża się do prędkości światła c. Z tego powodu nie może ona osiągnąć i przekroczyć prędkości światła. Dla tachionu sytuacja wygląda odwrotnie: jego energia wzrasta do nieskończoności, gdy jego prędkość maleje do c. Z kolei gdy prędkość tachionu rośnie do nieskończoności, to jego energia dąży do zera. Nie oznacza to jednak, że tachion się dematerializuje – jego pęd jest niezerowy.

Warto też zwrócić uwagę na wynikającą z powyższych wzorów zależność prędkości od masy cząstki przy ustalonej energii. W przypadku zwykłych cząstek, te o większej masie mają, przy takiej samej energii kinetycznej, mniejszą prędkość. Natomiast tachion o większej masie ma, w porównaniu z tym o mniejszej masie (przy takiej samej energii), prędkość większą! Nie jest to jednak w żadnej mierze sprzeczne z zasadami zachowania energii i pędu. Co więcej, pozwalają one w przypadku tachionów, inaczej niż w przypadku zwykłych cząstek, na zajście pewnych „egzotycznych” procesów. Dwa najważniejsze to: kaskadowy rozpad radiacyjny tachionu na ten sam tachion i foton:   t à t + γ   oraz rozpad trójciałowy na ten sam tachion i parę (w ogólności inną) tachion – anty-tachion:
 . Reakcje te powinny zachodzić bardzo szybko, gdy tachionowa masa jest duża, natomiast bardzo wolno dla tachionów o małych masach. Wynika stąd, że tachiony o dużych masach, jeśli istnieją, mają (w wyniku dzielenia energii pomiędzy powstające produkty w kolejnych rozpadach) bardzo małą energię, a więc ich prędkość jest bliska nieskończoności...

Czy tachiony istnieją? Nie wiadomo – potwierdzić może to jedynie doświadczenie.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 02/2012 »
Drukuj »
Komentarze
Dodany przez: IV_Rzeczposp | 2016-06-30
Bardzo ciekawe ale trudno to zrozumieć.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jacek Ciborowski, Jakub Rembieliński | dodano: 2012-08-09
Co to są tachiony?

Co to są tachiony?

Odpowiadają prof. dr hab. Jacek Ciborowski z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz prof. dr hab. Jakub Rembieliński z Uniwersytetu Łódzkiego.

Pojęcie cząstki szybszej niż światło, czyli tachionu (z języka greckiego ταχύς, tachýs – szybki, prędki) zostało wprowadzone do nauki w 1962 roku przez George’a Sudarshana i jego współpracowników – Oleksę Bilaniuka oraz Vijaya Desphande. Ich istnienie sugeruje wizja pewnego rodzaju symetrii w przyrodzie: skoro są cząstki poruszające się zawsze z prędkościami mniejszymi od prędkości światła (cząstki obdarzone masą – bradiony – z języka greckiego βραδύς, bradýs – powolny), to czy nie powinny też istnieć cząstki poruszające się z prędkościami zawsze od niej większymi?

Tachionów nie można opisać w sposób spójny w ramach szczególnej teorii względności Einsteina (podstawowy problem to łamanie zasady przyczynowości), jednak można pewne ich własności w ramach tej teorii wyprowadzić, co właśnie zrobił Sudarshan wraz ze swoimi współpracownikami. Teoria poprawnie opisująca tachiony wymaga wprowadzenia wyróżnionego układu odniesienia i pewnej szczególnej (absolutnej) procedury synchronizacji zegarów [patrz: Jacek Ciborowski, Jakub Rembieliński „Tachiony. Cząstki szybsze od światła”; Wiedza i Życie, grudzień 2011]. W układzie wyróżnionym opis kinematyki tachionów pokrywa się ze standardowym opisem szczególnej teorii względności, dlatego ograniczymy się dalej do takiego przypadku.

Rozważmy tzw. związek dyspersyjny, łączący energię E, pęd p i masę cząstki m, będący uogólnieniem słynnego równania Einsteina E = mc² . Dla zwykłej cząstki ma on postać (E / c)² – p² = m²c², gdzie m jest masą spoczynkową cząstki (dla fotonu oczywiście zachodzi E / c = p). Natomiast dla tachionu przechodzi on w (E / c)² – p² = – m²c²; gdzie m jest wielkością, którą można by nazwać, niezupełnie poprawnie, ponieważ wielkość ta nie ma nic wspólnego z naszym intuicyjnym rozumieniem masy, masą tachionową. Zwróćmy uwagę, że o ile zwykła cząstka może spoczywać względem obserwatora, o tyle tachion nie – on zawsze musi być w ruchu i to z prędkością większą niż c. Nie można znaleźć takiego układu odniesienia związanego z „obserwatorem bradionowym” (a więc mającym masę w zwykłym sensie), w którym tachion by spoczywał! Z relacji dyspersyjnych wynika zależność energii cząstki o ustalonej masie m od jej prędkości v i odwrotnie. W przypadku zwykłych cząstek energia dana jest wzorem    natomiast dla tachionów wzorem . Przy wzroście prędkości zwykłej cząstki jej energia kinetyczna dąży do nieskończoności, gdy prędkość ta zbliża się do prędkości światła c. Z tego powodu nie może ona osiągnąć i przekroczyć prędkości światła. Dla tachionu sytuacja wygląda odwrotnie: jego energia wzrasta do nieskończoności, gdy jego prędkość maleje do c. Z kolei gdy prędkość tachionu rośnie do nieskończoności, to jego energia dąży do zera. Nie oznacza to jednak, że tachion się dematerializuje – jego pęd jest niezerowy.

Warto też zwrócić uwagę na wynikającą z powyższych wzorów zależność prędkości od masy cząstki przy ustalonej energii. W przypadku zwykłych cząstek, te o większej masie mają, przy takiej samej energii kinetycznej, mniejszą prędkość. Natomiast tachion o większej masie ma, w porównaniu z tym o mniejszej masie (przy takiej samej energii), prędkość większą! Nie jest to jednak w żadnej mierze sprzeczne z zasadami zachowania energii i pędu. Co więcej, pozwalają one w przypadku tachionów, inaczej niż w przypadku zwykłych cząstek, na zajście pewnych „egzotycznych” procesów. Dwa najważniejsze to: kaskadowy rozpad radiacyjny tachionu na ten sam tachion i foton:   t à t + γ   oraz rozpad trójciałowy na ten sam tachion i parę (w ogólności inną) tachion – anty-tachion:
 . Reakcje te powinny zachodzić bardzo szybko, gdy tachionowa masa jest duża, natomiast bardzo wolno dla tachionów o małych masach. Wynika stąd, że tachiony o dużych masach, jeśli istnieją, mają (w wyniku dzielenia energii pomiędzy powstające produkty w kolejnych rozpadach) bardzo małą energię, a więc ich prędkość jest bliska nieskończoności...

Czy tachiony istnieją? Nie wiadomo – potwierdzić może to jedynie doświadczenie.