Tachyon

Ein tachyon ( / t æ k i ɒ n / ) oder tachyonic Teilchens ist eine hypothetische Partikel daß stets fährt schneller als Licht . Die meisten Physiker glauben, dass es keine lichtschnelleren Teilchen geben kann, weil sie nicht mit den bekannten physikalischen Gesetzen übereinstimmen. ^{[1] [a]} Wenn solche Teilchen existierten und Signale schneller als Licht senden könnten, dann würden sie nach der Relativitätstheorie die Kausalität verletzen , was zu logischen Paradoxen vom Typ "Deinen eigenen Großvater töten" führen würde . ^[1]Tachyonen würden auch die ungewöhnliche Eigenschaft aufweisen, mit abnehmender Energie an Geschwindigkeit zuzunehmen, und würden unendlich viel Energie benötigen, um auf Lichtgeschwindigkeit zu verlangsamen. Es wurden keine experimentellen Beweise für die Existenz solcher Partikel gefunden.

Tachyon

Da sich ein Tachyon immer schneller als das Licht fortbewegt, wäre es nicht möglich, seine Annäherung zu sehen. Nachdem ein Tachyon in der Nähe vorbeigefahren ist, könnte ein Beobachter zwei Bilder davon sehen, die in entgegengesetzten Richtungen erscheinen und verschwinden. Dieser Doppelbildeffekt ist am deutlichsten für einen Beobachter, der sich direkt im Pfad eines überlichtigen Objekts befindet (in diesem Beispiel ist es eine Kugel, die in transparentem Grau dargestellt ist). Da das Tachyon vor dem Licht ankommt, sieht der Beobachter nichts, bis die Kugel bereits vorbei ist, woraufhin (aus der Perspektive des Beobachters) das Bild in zwei Teile geteilt zu sein scheint – eine der ankommenden Kugel (rechts) und eine der abgehenden Kugel (nach links).
Einstufung	Elementarteilchen
Status	hypothetisch
Theoretisiert	1967

In der 1967 geprägten Veröffentlichung des Begriffs schlug Gerald Feinberg vor, dass tachyonische Teilchen aus Anregungen eines Quantenfelds mit imaginärer Masse hergestellt werden könnten . ^[2] Es wurde jedoch bald erkannt, dass Feinbergs Modell tatsächlich keine superluminalen ( überlichtschnellen ) Geschwindigkeiten zuließ . ^[3] Dennoch bezieht sich der Begriff Tachyon in der modernen Physik oft eher auf imaginäre Massenfelder als auf schnellere als Lichtteilchen. ^{[4] [a]} Solche Felder haben in der modernen Physik eine bedeutende Rolle gespielt .

Der Begriff kommt aus dem Griechischen : ταχύ , tachy , bedeutet schnell . Die komplementären Teilchentypen heißen Luxonen (die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen ) und Bradyonen (die sich immer langsamer als Licht bewegen); von beiden Partikeltypen ist bekannt, dass sie existieren.

Der Begriff Tachyon wurde 1967 von Gerald Feinberg in einem Papier mit dem Titel "Möglichkeit schneller als Lichtteilchen" geprägt. ^[2] Er hatte sich von der Science-Fiction-Geschichte "Beep" von James Blish inspirieren lassen . ^[b] Feinberg untersuchte die Kinematik solcher Teilchen nach der speziellen Relativitätstheorie . In seiner Arbeit führte er auch Felder mit imaginärer Masse (jetzt auch als Tachyonen bezeichnet) ein, um den mikrophysikalischen Ursprung solcher Teilchen zu verstehen.

Die erste Hypothese über lichtschnellere Teilchen wird manchmal 1904 dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld zugeschrieben , der sie "Metateilchen" nannte. ^{[6] [ Zitat erforderlich ]} Neuere Diskussionen fanden 1962 ^[7] und 1969 statt. ^[8]

Im September 2011 wurde berichtet, dass ein Tau-Neutrino bei einer großen Freisetzung des CERN schneller als Lichtgeschwindigkeit gereist war; Spätere Aktualisierungen des CERN zum OPERA-Projekt weisen jedoch darauf hin, dass die überlichtschnellen Messwerte auf ein fehlerhaftes Element des faseroptischen Zeitmesssystems des Experiments zurückzuführen waren. ^[9]

In der speziellen Relativitätstheorie , ein schneller als Lichtteilchen würde raumartigen Viererimpuls , ^[2] im Gegensatz zu gewöhnlichen Teilchen, haben zeitartige Viererimpuls . Obwohl in einigen Theorien die Masse von Tachyonen als imaginär angesehen wird , wird in einigen modernen Formulierungen die Masse als real betrachtet ^{[10] [11] [12]} die Formeln für Impuls und Energie werden zu diesem Zweck neu definiert. Da Tachyonen außerdem auf den raumähnlichen Teil des Energie-Impuls-Graphen beschränkt sind, konnten sie sich nicht auf subluminale (d. h. langsamere als Licht) Geschwindigkeiten verlangsamen. ^[2]

Masse

In einer Lorentz-invarianten Theorie müssen die gleichen Formeln, die für gewöhnliche Teilchen, die langsamer als das Licht sind ( in Diskussionen über Tachyonen manchmal „ Bradyonen “ genannt) gelten, auch für Tachyonen gelten. Insbesondere die Energie-Impuls-Beziehung :

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

(wobei p der relativistische Impuls des Bradyons und m seine Ruhemasse ist ) sollte weiterhin gelten, zusammen mit der Formel für die Gesamtenergie eines Teilchens:

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

Diese Gleichung zeigt, dass die Gesamtenergie eines Teilchens (Bradyon oder Tachyon) einen Beitrag seiner Ruhemasse (die "Ruhemasse-Energie") und einen Beitrag seiner Bewegung, die kinetische Energie, enthält. Wann${\displaystyle v}$ (die Geschwindigkeit des Teilchens) ist größer als ${\displaystyle c}$(Lichtgeschwindigkeit) ist der Nenner in der Gleichung für die Energie imaginär , da der Wert unter der Quadratwurzel negativ ist. Weil die Gesamtenergie des Teilchens reell sein muss (und keine komplexe oder imaginäre Zahl) ^{[ warum? ]} um eine praktische Bedeutung als Maß zu haben, muss auch der Zähler imaginär sein: dh die Ruhemasse m muss imaginär sein, da eine reine imaginäre Zahl geteilt durch eine andere reine imaginäre Zahl eine reelle Zahl ist.

In einigen modernen Formulierungen der Theorie wird die Masse der Tachyonen als real angesehen. ^{[10] [11] [12]}

Geschwindigkeit

Ein merkwürdiger Effekt ist, dass im Gegensatz zu gewöhnlichen Teilchen die Geschwindigkeit eines Tachyons mit abnehmender Energie zunimmt . Bestimmtes,${\displaystyle E}$ geht gegen Null, wenn ${\displaystyle v}$nähert sich der Unendlichkeit. (Für gewöhnliche bradyonische Materie,${\displaystyle E}$ nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit zu und wird beliebig groß, da ${\displaystyle v}$ Ansätze ${\displaystyle c}$, Lichtgeschwindigkeit ). Daher ist es ebenso wie Bradyonen verboten, die Lichtgeschwindigkeitsbarriere zu durchbrechen, ebenso wie es Tachyonen verboten ist, sich unter c zu verlangsamen , da unendliche Energie erforderlich ist, um die Barriere von oben oder unten zu erreichen.

Wie Albert Einstein , Tolman und andere bemerkten , impliziert die spezielle Relativitätstheorie , dass überlichtschnelle Teilchen, falls sie existierten, verwendet werden könnten, um in der Zeit rückwärts zu kommunizieren . ^[13]

Neutrinos

1985 schlug Chodos vor, dass Neutrinos eine tachyonische Natur haben können. ^[14] Die Möglichkeit, dass sich Standardmodellteilchen mit Überlichtgeschwindigkeiten bewegen, kann unter Verwendung von Termen, die die Lorentz-Invarianz verletzen, modelliert werden , beispielsweise in der Standard-Model-Erweiterung . ^{[15] [16] [17]} In diesem Rahmen erfahren Neutrinos Lorentz-verletzende Schwingungen und können sich bei hohen Energien schneller als Licht fortbewegen. Dieser Vorschlag wurde stark kritisiert. ^[18]

Cherenkov-Strahlung

Ein elektrisch geladenes Tachyon würde als Cherenkov-Strahlung Energie verlieren – genauso wie gewöhnliche geladene Teilchen, wenn sie die lokale Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (außer einem harten Vakuum) überschreiten. Ein geladenes Tachyon, das sich im Vakuum bewegt , erfährt daher eine konstante Eigenzeitbeschleunigung und seine Weltlinie bildet notwendigerweise eine Hyperbel in der Raumzeit. Die Verringerung der Energie eines Tachyons erhöht jedoch seine Geschwindigkeit, so dass die einzelne Hyperbel aus zwei gegensätzlich geladenen Tachyonen mit entgegengesetzten Impulsen (gleiche Größe, entgegengesetztes Vorzeichen) besteht, die sich gegenseitig vernichten, wenn sie gleichzeitig an derselben Stelle im Raum unendliche Geschwindigkeit erreichen. (Bei unendlicher Geschwindigkeit haben die beiden Tachyonen jeweils keine Energie und einen endlichen Impuls entgegengesetzter Richtung, so dass bei ihrer gegenseitigen Vernichtung keine Erhaltungssätze verletzt werden. Der Zeitpunkt der Vernichtung ist rahmenabhängig .)

Selbst von einem elektrisch neutralen Tachyon würde man erwarten, dass er durch die gravitative Cherenkov-Strahlung Energie verliert (es sei denn, Gravitonen sind selbst Tachyonen ), da er eine gravitative Masse hat und daher bei seiner Fortbewegung an Geschwindigkeit zunimmt, wie oben beschrieben. Wenn das Tachyon mit anderen Teilchen wechselwirkt, kann es auch Cherenkov-Energie in diese Teilchen einstrahlen. Neutrinos interagieren mit den anderen Teilchen des Standardmodells , und Andrew Cohen und Sheldon Glashow argumentierten damit, dass die Neutrino-Anomalie 2011 schneller als Licht nicht dadurch erklärt werden kann, dass sich Neutrinos schneller als Licht ausbreiten, sondern auf einen Fehler zurückzuführen sein muss im Versuch. ^[19] Weitere Untersuchungen des Experiments zeigten, dass die Ergebnisse tatsächlich falsch waren.

Kausalität

Raum-Zeit-Diagramm , das zeigt, dass eine Bewegung schneller als Licht im Kontext der speziellen Relativitätstheorie Zeitreisen impliziert . Ein Raumschiff verlässt die Erde langsamer als das Licht von A nach C. Bei B sendet die Erde ein Tachyon aus, das sich schneller als Licht fortbewegt, aber im Bezugssystem der Erde in der Zeit vorwärts geht. Es erreicht das Raumschiff bei C. Das Raumschiff schickt dann ein weiteres Tachyon von C nach D zurück zur Erde. Dieses Tachyon reist auch im Bezugssystem des Raumschiffs in der Zeit vorwärts. Dies ermöglicht der Erde effektiv, ein Signal von B nach D in der Zeit zurückzusenden.

Kausalität ist ein Grundprinzip der Physik. Wenn Tachyonen Informationen schneller als Licht übertragen können, dann verletzen sie gemäß der Relativität die Kausalität, was zu logischen Paradoxien vom Typ "Töte deinen eigenen Großvater" führt . Dies wird oft mit Gedankenexperimenten wie dem "Tachyonen-Telefon-Paradox" ^[13] oder der "logisch schädlichen Selbsthemmung" illustriert . ^[20]

Das Problem kann in Bezug auf die Relativität der Gleichzeitigkeit in der speziellen Relativitätstheorie verstanden werden, die besagt, dass verschiedene Trägheitsbezugssysteme nicht übereinstimmen, ob zwei Ereignisse an verschiedenen Orten "gleichzeitig" stattgefunden haben oder nicht, und sie können auch in der Reihenfolge uneinig sein der beiden Ereignisse (technisch gesehen treten diese Unstimmigkeiten auf, wenn das Raumzeitintervall zwischen den Ereignissen "raumartig" ist, was bedeutet, dass keines der Ereignisse im zukünftigen Lichtkegel des anderen liegt). ^[21]

Wenn eines der beiden Ereignisse das Senden eines Signals von einem Ort und das zweite Ereignis den Empfang desselben Signals an einem anderen Ort darstellt, dann gilt die Mathematik der Gleichzeitigkeit, solange sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer bewegt stellt sicher, dass alle Referenzrahmen übereinstimmen, dass das Sendeereignis vor dem Empfangsereignis stattgefunden hat. ^[21] Im Falle eines hypothetischen Signals, das sich schneller als das Licht bewegt, würde es jedoch immer einige Frames geben, in denen das Signal empfangen wurde, bevor es gesendet wurde, so dass man sagen könnte, dass sich das Signal in der Zeit rückwärts bewegt hat. Da eines der beiden fundamentalen Postulate der Speziellen Relativitätstheorie besagt, dass die Gesetze der Physik in jedem Inertialsystem gleich funktionieren sollten, muss es in allen Frames möglich sein, wenn es möglich ist, dass sich Signale in einem Frame in der Zeit rückwärts bewegen. Das bedeutet, wenn Beobachter A ein Signal an Beobachter B sendet, das sich im Rahmen von A schneller als Licht, im Rahmen von B jedoch zeitlich rückwärts bewegt, und dann B eine Antwort sendet, die sich im Rahmen von B schneller als Licht, im Rahmen von A jedoch zeitlich rückwärts bewegt, Es könnte sich herausstellen, dass A die Antwort erhält, bevor das ursprüngliche Signal gesendet wird, was die Kausalität in jedem Frame in Frage stellt und schwerwiegenden logischen Paradoxien Tür und Tor öffnet. ^[22] Dies ist als tachyonisches Antitelephon bekannt .

Umdeutungsprinzip

Das Umdeutungsprinzip ^{[2] [7] [22]} besagt, dass ein in der Zeit zurückgesendetes Tachyon immer als ein in der Zeit vorwärts reisendes Tachyon umgedeutet werden kann, da Beobachter nicht zwischen Emission und Absorption von Tachyonen unterscheiden können. Der Versuch, ein Tachyon aus der Zukunft zu erkennen (und die Kausalität zu verletzen), würde tatsächlich dasselbe Tachyon erzeugen und es zeitlich vorwärts senden (was kausal ist).

Dieses Prinzip wird jedoch nicht allgemein als die Lösung der Paradoxien akzeptiert. ^{[13] [22] [23]} Um Paradoxien zu vermeiden, müssten Tachyonen im Gegensatz zu allen bekannten Teilchen in keiner Weise wechselwirken und können nie nachgewiesen oder beobachtet werden, da sonst ein Tachyonenstrahl moduliert und verwendet werden könnte ein Anti-Telefon ^[13] oder eine "logisch schädliche Selbsthemmung" zu schaffen. ^[20] Es wird angenommen, dass alle Energieformen zumindest gravitativ wechselwirken, und viele Autoren behaupten, dass die Überlichtausbreitung in den Lorentz-Invariantentheorien immer zu kausalen Paradoxien führt. ^{[24] [25]}

In der modernen Physik werden alle fundamentalen Teilchen als Anregungen von Quantenfeldern betrachtet . Es gibt verschiedene Möglichkeiten, tachyonische Teilchen in eine Feldtheorie einzubetten.

Felder mit imaginärer Masse

In der Arbeit, die den Begriff "Tachyon" prägte, untersuchte Gerald Feinberg Lorentz-invariante Quantenfelder mit imaginärer Masse. ^[2] Da die Gruppengeschwindigkeit für ein solches Feld superluminal ist, scheint es naiv, dass sich seine Anregungen schneller als Licht ausbreiten. Es wurde jedoch schnell verstanden, dass die Geschwindigkeit der superluminalen Gruppe nicht der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer lokalisierten Anregung (wie eines Teilchens) entspricht. Stattdessen stellt die negative Masse eine Instabilität gegenüber der Tachyonenkondensation dar , und alle Erregungen des Feldes breiten sich subluminal aus und stimmen mit der Kausalität überein . ^[26] Obwohl sie keine schnellere als Lichtausbreitung haben, werden solche Felder in vielen Quellen einfach als "Tachyonen" bezeichnet. ^{[4] [27] [28] [29] [a]}

Tachyonische Felder spielen in der modernen Physik eine wichtige Rolle. Das vielleicht bekannteste ist das Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik , das in seiner unkondensierten Phase eine imaginäre Masse besitzt. Im Allgemeinen spielt das Phänomen der spontanen Symmetriebrechung , das eng mit der Tachyonenkondensation verbunden ist, in vielen Aspekten der theoretischen Physik eine wichtige Rolle, einschließlich der Supraleitungstheorien von Ginzburg-Landau und BCS . Ein weiteres Beispiel für ein tachyonisches Feld ist das Tachyon der bosonischen Stringtheorie . ^{[27] [31]}

Tachyonen werden durch die Bosonen-String-Theorie und auch die Neveu-Schwarz (NS)- und NS-NS-Sektoren, die jeweils der offene bosonische Sektor und der geschlossene bosonische Sektor sind, der RNS-Superstring-Theorie vor der GSO-Projektion vorhergesagt . Aufgrund der Sen-Vermutung, auch Tachyonenkondensation genannt, sind solche Tachyonen jedoch nicht möglich. Daraus ergab sich die Notwendigkeit der GSO-Projektion.

Lorentz-verletzende Theorien

In Theorien, die die Lorentz-Invarianz nicht berücksichtigen , ist die Lichtgeschwindigkeit keine (notwendigerweise) Barriere, und Teilchen können sich ohne unendliche Energie oder kausale Paradoxien schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen. ^[24] Eine Klasse von Feldtheorien dieser Art sind die sogenannten Standardmodellerweiterungen . Die experimentellen Beweise für die Lorentz-Invarianz sind jedoch extrem gut, sodass solche Theorien sehr stark eingeschränkt sind. ^{[32] [33]}

Felder mit nicht-kanonischem kinetischen Term

Durch Modifikation der kinetischen Energie des Feldes ist es möglich, Lorentz-invariante Feldtheorien mit Anregungen zu erstellen, die sich superluminal ausbreiten. ^{[26] [25]} Solche Theorien haben jedoch im Allgemeinen kein wohldefiniertes Cauchy-Problem (aus Gründen im Zusammenhang mit den oben diskutierten Fragen der Kausalität) und sind wahrscheinlich quantenmechanisch inkonsistent.

Tachyonen sind in vielen Romanen erschienen. Sie wurden als Standby-Mechanismus verwendet, auf den sich viele Science-Fiction-Autoren verlassen, um eine Kommunikation über das Licht hinaus aufzubauen , mit oder ohne Bezug auf Kausalitätsprobleme. Das Wort Tachyon ist so weit verbreitet, dass es eine Science-Fiction-Konnotation vermitteln kann, selbst wenn das fragliche Thema keine besondere Beziehung zu Superluminal Travel (eine Form von Technobabble , ähnlich dem positronischen Gehirn ) hat. ^{[ Zitat erforderlich ] [34]}

• Lorentz-verletzende Neutrino-Oszillationen
• Massive Partikel – Bradyon, auch bekannt als Tardyon
• Masseloses Teilchen — Luxon
• Retrokausalität
• Tachyonisches Gegensprechgerät
• Virtuelles Teilchen
• Wheeler-Feynman-Absorbertheorie

• "Die Schneller als Licht (FTL) FAQ" . Iowa State University . Archiviert vom Original am 21. November 2000.
• Weisstein, Eric Wolfgang (Hrsg.). "Tachyon" . WissenschaftWelt .
• "Tachyonen" . Mathematik. Physik FAQ / Teilchen und Kern. Riverside, Kalifornien: Universität von Kalifornien .