Тахион – гипотетическая элементарная частица, обладающая корпускулярной или волновой природой, движущаяся со скоростью больше скорости света. Тахионы присутствуют в некоем абстрактном мире, в котором объекты обладают отрицательной массой и время идет в обратном направлении. Тахионная энергия используется, в том числе, для сканирования «подпространства» в научно-фантастической передаче Star Trek Voyager. До сих пор не найдены никакие эмпирические свидетельства существования тахионов. «Даже если бы тахионы и существовали, их использование было бы весьма сложно сочетать с представлениями современной физики» – считает ученый из NASA Том Бриджман. Несмотря на умозрительность тахионов, их проблематичную утилитарность и степень этой утилитарности, тахионы представляют собой основной ингридиент целого ряда товаров, предлагаемых представителями направления Нью Эйдж – от бус, поясов и обувных стелек до энергетических подушек, масел для массажа и пузырьков с тахионной водой. И разумеется, на эту тему написаны книги. Например, «Тахионная энергия: новая парадигма в холистическом лечении» Габриэла Казенса и Дэвида Вагнера.
Некоторые предприимчивые представители Нью Эйдж заявляют о своей уверенности в существовании тахиона и в том, что им удалось поставить себе на службу его энергию. Например, Фред Пулвер из Карбондейлского центра макробиотических исследований утверждает, что тахионное поле восполняет потребность всех живых организмов в энергии и способствует установлению баланса, после чего поле на время ослабляет свою силу, до тех пор пока оно вновь не понадобится. Когда происходит истощение и когда снова возникает необходимость в тахионном поле, оно приходит на выручку и снова устанавливается баланс. Однако, если природе не удается поддерживать ваш тахионный баланс, вы можете получить всю необходимую энергию, воспользовавшись продукцией Пулвера.
Пулвер делает неслыханные заявления. Например:
Построены двигатели, черпающие энергию из тахионного поля. Они ведут себя странным образом: например, чем дольше они запущены, тем выше их скорость, несмотря на то, что они не подключены ни к одному источнику энергии.
Где эти двигатели? Никто их не видел, но мы должны принять на веру эти заявления. Может быть, они используются в НЛО, прилетающих на Землю для увечий скота или проведения экспериментов над людьми.
Вот еще один пассаж:
За счет согласования полярности атомов улучшает естественную способность организма черпать недостающую энергию из тахионного поля. Спортсмены обнаружили, что благодаря тахионным изделиям они становятся проворнее, выносливее и тратят меньше времени на восстановление сил. Тахионные изделия проявили себя на спортивной арене в качестве проводников энергии поля.
Кто эти спортсмены? Те, которые носят обувь с магнитными стельками и надевают на себя кристаллы для защиты от враждебной энергии?
Что это за “Тахионное поле”?
Тахионное поле крайне плотно. Его плотность нельзя измерить, поскольку она представляет собой отрицательную величину, принадлежащую другому миру, который зеркален по отношению к миру положительной плотности. Теория отрицательной плотности подкрепляется явлением, поддающимся наблюдению – постоянным расширением Вселенной, которое происходит в силу давления, возникающего от расширения невидимой Вселенной. Давление, оказываемое тахионным полем на нашу Вселенную, свидетельствует о существовании невидимой Вселенной, обладающей высокой плотностью, такой Вселенной и является тахионное поле.
Тахионное поле может быть плотным, однако ему предстоят сложные преобразования, прежде чем оно будет соответствовать невнятной модели, предлагаемой «альтернативными» физиками. Его интерпретации явно чего-то недостает, а именно – фундаментального понимания действительности. Нам предлагают поверить в существование невидимой Вселенной, оказывающей давление на нас, которое нельзя зафиксировать современными приборами.
Но подождите, это еще не все!
Теория тахионов целостна, поскольку допускает наличие двух взаимозависимых вселенных, которое представляет собой неделимое целое – видимая вселенная с досветовыми скоростями и невидимая со сверхсветовыми скоростями. Тахионная теория также подтверждает сугубо метафизическую концепцию Бога. Вездесущее может иметь место только на сверхсветовых скоростях, поскольку досветовые скорости требуют времени на перемещение в пространстве. Следовательно, вездесущее может быть атрибутом исключительно тахионной вселенной, где едины пространство и время.
Пулвер еще и “альтернативный” метафизик! Его рассуждения отдают бесконечностью. «Нервная система и мозг – это не что иное, как чрезвычайно сложная антенна и приемник, функция которых заключается в поглощении, обработке и преобразовании ресурсов тахионного поля». «Целители научились находить доступ к ресурсам тахионного поля, способствующим исцелению и справляются с этим лучше любого человека».
Кстати, приведенными выше фразами сопровождается сбыт тахионных изделий – в продаже есть тахионные бусы, 10 штук по 118 долларов, которые содержат антенну, фокусирующую тахионную энергию. Есть тахионный пояс ценой 268,95 долларов, который улучшает кровообращение и придает силы. Безупречно чистая тахионная вода продается по 27 долларов за маленький флакончик.
Еще одна компания, Advanced Tachyon Technologies (ATT), предлагает более широкий ассортимент изделий, включая изделия для кошек и собак. АТТ выпускает товары для улучшения ваших интимных отношений и ваших атлетических навыков. Вниманию покупателей предлагаются изделия, которые способны облегчить боль и улучшить ваши умственные способности. В ассортименте также комплект для балансировки чакр и тахионная шелковая шаль для медитаций, которая поможет вам «медитировать с вашим возлюбленным перед занятием сексом».
("Познавательная Статья из Мира Науки").
Тахионы живут в странном мире, где все движется быстрее света. Теряя энергию, тахионы начинают двигаться быстрее - что, естественно, противоречит здравому смыслу. Мало того, тахион, полностью лишившийся энергии, движется с бесконечной скоростью. И наоборот, приобретая энергию, тахионы замедляются, пока не достигнут скорости света.
Особенно странными тахионы делает тот факт, что они обладают мнимой массой. (Говоря "Мнимой", мы имеем в виду, что их масса умножается на корень квадратный из минус единицы, или і.) если взять знаменитые уравнения Эйнштейна и заменить в них m на im, произойдет чудо. Скорость частиц внезапно станет больше скорости света.
Из-за этого возникают странные ситуации. Когда тахион летит сквозь вещество, он теряет энергию, поскольку сталкивается с атомами. Но, теряя энергию, он ускоряется, отчего столкновения только усиливаются и происходят чаще. По идее, эти столкновения должны вызывать дальнейшую потерю энергии и, следовательно, дальнейшее ускорение. Возникает замкнутый круг, и тахион сам по себе, естественным образом, набирает бесконечную скорость!
(Тахионы отличаются и от антивещества, и от отрицательного вещества. Антивещество обладает положительной энергией, движется медленнее света и может быть получено в наших ускорителях частиц. Согласно теории, антивещество подчиняется закону тяготения и, как положено, падает вниз. Антивещество соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени. Отрицательное вещество обладает отрицательной энергией и тоже движется медленнее света, но под воздействием тяготения падает вверх, т. е. прочь от притягивающего тела из обычного вещества. Отрицательное вещество в лаборатории еще никто не видел. В теории в больших количествах оно может служить топливом для машины времени. Тахионы движутся быстрее света и обладают мнимой массой; как они ведут себя под воздействием силы тяжести, неясно. Их пока тоже не удалось получить в лаборатории.
Тахионы, конечно, частицы очень странные, но физики серьезно их изучают; можно назвать, например, покойного Джеральда фейнберга из колумбийского университета и Джорджа сударшана из университета техаса в остине. Проблема в том, что никто никогда не видел тахиона в лаборатории. Надежным экспериментальным свидетельством существования тахионов было бы нарушение причинности. Фейнберг даже предлагал физикам исследовать лазерный луч до включения лазера. В том случае, если тахионы существуют, то не исключено, что свет лазерного луча можно обнаружить даже раньше, чем аппарат будет включен.
В научной фантастике тахионы регулярно используются как средство отправки сообщения в прошлое, предкам. Но из физики явления совершенно непонятно, возможно ли такое хотя бы теоретически. Фейнберг, к примеру, считал, что эмиссия тахионов, движущихся во времени вперед, точно соответствует поглощению тахионов с отрицательной энергией, движущихся во времени назад (аналогично положению с антивеществом), поэтому никакого нарушения причинности не происходит.
В том случае, если оставить фантастику в стороне, то в настоящий момент физики считают, что тахионы, возможно, существовали в момент большого взрыва, нарушая причинность, но теперь их больше не существует. Более того, очень может быть, что тахионы сыграли существенную роль в том, что вселенная вообще взорвалась. В этом смысле они играют важную роль в некоторых теориях большого взрыва.
У тахионов есть еще одно забавное свойство. При введении в любую теорию они дестабилизируют "Вакуум", т. е. самое низкоэнергетическое состояние системы. В случае если в системе присутствуют тахионы, значит, она находится в состоянии "Ложного Вакуума", а следовательно, нестабильна и будет разрушаться до состояния истинного вакуума.
Представьте себе плотину, которая удерживает воду в озере. Это и есть "Ложный Вакуум". Хотя плотина представляется вполне надежной, существует состояние с еще более низкой энергией. И если в плотине появляется трещина, вода начинает стремительно вытекать из озера и стекать на уровень моря - тогда-то система и достигает состояния истинного вакуума.
Точно так же считается, что вселенная до большого взрыва существовала в состоянии ложного вакуума, где были тахионы. Но их присутствие означало, что это не самое низкоэнергетическое состояние системы, а потому система нестабильна. Затем в ткани пространства - времени появилась крошечная "Прореха", представляющая истинный вакуум. Прореха начала увеличиваться, появился пузырь. Вне пузыря тахионы по-прежнему существовали, но внутри их не было. С ростом пузыря появилась та вселенная, которую мы знаем, - вселенная без тахионов. Это и был большой взрыв.
Одна из теорий, которую космологи воспринимают очень серьезно, состоит в том, что первоначальный процесс инфляции начал один - единственный тахион, известный как "Инфлятон". Теория инфляционной вселенной утверждает, что она возникла как крошечный пузырек пространства - времени, переживший сверхбыстрый период расширения (инфляции. Физики считают, что первоначально вселенная существовала в состоянии ложного вакуума, где инфляционным полем был тахион. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и образовались крошечные пузырьки. Внутри одного из этих пузырьков инфляционное поле оказалось в состоянии истинного вакуума. Этот пузырек начал стремительно раздуваться, пока не превратился в нашу вселенную. Внутри нашего пузыря - вселенной инфляция исчезла, поэтому ее и не удается зарегистрировать в нашей вселенной. Получается, что тахионы представляют собой причудливое квантовое состояние, в котором объекты движутся быстрее света и, быть может, даже нарушается причинность. Но тахионы давно исчезли, дав при этом, возможно, жизнь самой вселенной.
Наверное, все это похоже на досужие рассуждения, которые невозможно проверить. Но первый эксперимент по проверке теории ложного вакуума начинается с пуском в Швейцарии, в окрестностях Женевы, большого адронного коллайдера. Одна из основных задач бак - обнаружение бозонов хиггса, последней до сих пор не найденной частицы стандартной модели, последней детали научной головоломки. (Частица хиггса так важна и так неуловима, что нобелевский лауреат Леон ледерман назвал ее "Частицей - Богом". Физики считают, что бозон хиггса начал свое существование как тахион. В ложном вакууме ни одна из субатомных частиц не имела массы. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и вселенная перешла в новое состояние, к новому вакууму, в котором бозон хиггса обернулся обычной частицей. После этого перехода - из состояния тахиона в состояние обычной частицы - субатомные частицы приобретают массу, которую мы сегодня измеряем в лаборатории. Таким образом, обнаружение бозона хиггса не только поставит на место последнюю недостающую деталь стандартной модели, но и подтвердит, что тахионное состояние когда-то существовало, но позже трансформировалось в обычную частицу.
Ньютонова физика полностью отвергает возможность предвидения будущего. Железное правило причины и следствия никогда не нарушается. Квантовая теория допускает иные состояния вещества, такие как антивещество, которое соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени, но принцип причинности не нарушается. Более того, антивещество в квантовой теории необходимо для восстановления причинности. Тахионы на первый взгляд нарушают принцип причинности, но физики считают, что они исполнили свое предназначение - запустили механизм большого взрыва и исчезли из нашей вселенной.
Путенихин П.В. mailto: [email protected]Тахион - это гипотетическая частица, движущаяся со сверхсветовой скоростью. В нижеследующих выкладках, если это не влияет на выводы, я не буду делать различия между тахионом (tachyon) и любой частицей, движущейся со сверхсветовой скоростью (faster than light), например, сверхсветовой частицей квантино (quantino), упоминавшейся Вейником . Общепринятой скорости движения тахиона нет, в литературе вообще не указывается какая-либо определённая скорость тахиона. Из логических соображений следует рассматривать три варианта этой скорости: бесконечно большая скорость (мгновенная), переменная в процессе движения и некая фиксированная сверхсветовая скорость. Первый вариант не физичен по причине бесконечности, поэтому не заслуживает серьёзного внимания. Реалистичным неявно считается второй вариант, но третий - более простой, более удобный для анализа. Общепризнано, что тахион впервые описал Зоммерфельд , затем теор етически его исследовали многие физики. Сам термин тахион (tachyon) был предложен в 1967 году Фейнбергом . Справедливости ради следует заметить, что Зоммерфельд исследовал не тахион, а сверхсветовое движение электрона, то есть электрически заряженной частицы, и его взаимодействие с собственным полем. Параграф 5 его статьи так и называется:
«§ 5.Сила, действующая на электрон со стороны его собственного поля, когда скорость постоянна и превышает скорость света».
Он приходит к выводу, что физическими законами движение электрона со сверхсветовой скоростью не запрещено, хотя и не является свободным, легко осуществимым:
«Несмотря на то, что движение с постоянной скоростью, превышающей скорость света, не является для электрона свободным, это движение не запрещено с физической точки зрения, так как требует (даже если скорость бесконечна) в каждый момент приложения только конечной силы, а также для любого конечного пути только конечной работы» .
Полученные выводы, таким образом, относить к тахиону, который, по мнению многих исследователей, не имеет заряда и может иметь любую сверхсветовую (superluminal) скорость, вряд ли корректно:
«Движение электронов, имеющих равномерный поверхностный заряд, с постоянной скоростью, превышающей скорость света, на самом деле невозможно, это потребовало бы бесконечно больших затрат сил и энерги и» .
В своих выкладках Зоммерфельд использовал подход, отличающийся от методики Лоренца и от используемого впоследствии аппарата теор ии относительности:
«... я использовал общие выражения для поля электрона, движущегося по произвольн ому пути, которые оказываются более простым, чем известные ныне формулы, в основе которых лежат работы Лоренца» .
Использование математики теор ии относительности, в основе которой лежат те же работы Лоренца, как известно, приводят к тому, что тахион приобретает весьма экзотические характеристики. Считается, что в момент испускания тахиона в сторону наблюдателя возникает картина, которую Википедия описывает следующим образом . Рассматривается тахион, «наивно уподобленный обычному «шарику», который можно наблюдать визуально в отраженном свете. Поскольку тахион движется быстрее света, он обгоняет отражённый от него свет, поэтому достигает наблюдателя раньше, чем собственное изображение. Лишь после этого наблюдатель увидит свет, отражённый от тахиона, то есть увидит сам тахион. Тахион как бы возникает перед наблюдателем из ничего. При этом наблюдателю будут видны две разлетающиеся в разные стороны частицы - тахионы:
Рис.1 Рисунок из Википедии: таким мог бы видеться наблюдателю тахион
Одна продолжает двигаться в первоначальном направлении, вторая - в том направлении, откуда тахион появился. При этом время на тахионе будет видеться наблюдателю текущим в обратном направлении. Это объясняется тем, что изображения тахиона от точки испускания будут достигать наблюдателя в обратном порядке: сначала он увидит последние «кадры» тахиона, затем предыдущие и так далее.
Кстати, рассмотренная картина не является чем-то экзотическим. Подобный эффект можно обнаружить со сверхзвуковым движением. Если мимо наблюдателя пролетит сверхзвуковой истребитель, то точно так же наблюдатель «услышит» его, когда тот с ним поравняется. Затем продолжится звук истребителя, удаляющегося в разные стороны от наблюдателя. Как и в случае с тахионом, обгоняющим испускаемый им свет, истребитель обгоняет звук, который сам издаёт.
На рисунке не учтены релятиви стские эффекты - сжатие движущихся объектов, хотя в литературе в большинстве случаев принимается, что тахион не нарушает лоренц-инвариантности. В этом случае, казалось бы, уравнение должно иметь такой же вид, как и для досветовой скорости:
|
Здесь L - это собственная длина движущегося тахиона, а L` - его длина в неподвижной системе отсчета. Поскольку скорость тахиона выше скорости света, из уравнения следует, что длина движущегося объекта должна стать мнимой. Для простоты примем, что на рисунке объект - тахион, движущийся слева направо, изображён вытянутым в 3-4 раза. Это соответствует скорости тахиона, превышающей скорость света примерно в 4 раза. Отношение квадратов скоростей существенно больше единицы, поэтому отбросим единицу за малостью:
|
В левой половине рисунка лоренц-инвариантность не учтена: сфера тахиона не вытянута, а сжата, хотя некоторые авторы считают, что под научным употреблением термина тахион подразумеваются лоренц-инвариантные объекты, которые не нарушают принцип относительности.
Если внимательно приглядеться, то можно сделать вывод, что приведённый из Википедии рисунок более соответствует ньютоновой физике: приближающийся тахион видится сжатым, а удаляющийся - вытянутым. Действительно, если осветить приближающийся тахион, то свет от ближнего края отразится лишь ненамного раньше, чем от дальнего, поскольку дальний край тахиона успеет переместиться вперёд после отражения света от переднего края, сокращая кажущуюся длину тахиона. Напротив, удаляющийся тахион будет казаться вытянутым, поскольку дальний край тахиона успеет удалиться вперёд после отражения света от ближнего края, что визуально увеличивает его длину.
Теперь посмотрим, что показывают часы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, часы на тахионе. Аналогичные уравнения для времени показывают:
Признавать энерги ю мнимой величиной считается невозможным, следовательно, для сохранения равенства какая-то из величин в правой его части должна быть мнимой. Выбор, как говорится, невелик: мнимой может быть только масса тахиона. Аналогично, получаем уравнение для импульса тахиона:
|
Как в уравнении для энерги и, здесь также мнимой приходится сделать массу. Все эти мнимые параметры тахиона мы получили, применив к нему математику специальной теор ии относительности. То есть, вся эта «мнимость» - следствие релятиви стских операций над тахионом. Что такое «мнимая длина» представить вряд ли возможно. Для того, чтобы характеристики тахиона стали измеримыми, Биланюк предлагает:
«Единственный способ сделать их такими - это вновь постул ировать, что их собственные длины, собственные времена жизни - мнимые параметры, подобно собственной массе. И поскольку никакая величина, которая должна описываться мнимым параметром, недоступна измерению, их мнимость не должна служить источником беспокойства» .
В этом случае уравнение будет иметь иной, «спокойный» вид:
|
где l - мнимая собственная длина тахиона.
В приведённых лоренц-уравнениях для тахиона мнимую единицу можно было бы «присоединить» к скорости тахиона. Тогда мы получили бы во всех уравнениях единственную единую для всех уравнений мнимую величину - мнимую сверхсветовую скорость тахиона. Однако этому противится теор ия струн, в которой основное состояние струны является тахионом, так как для квадрата массы струны получается отрицательное выражение, то есть, мнимая масса .
Применение к тахиону лоренц-инвариантности формально исключает вопросы о нарушении причинности. В некоторых работах проскальзывает мысль, что сверхсветовая скорость тахиона - едва ли не условность, что она не позволяет передавать информацию быстрее света, следовательно, не нарушает постул атов СТО, что и приводит к сохранению причинности. Другими словами, поскольку тахион не передает информации со сверхсветовой скоростью, он не нарушает постул атов СТО и причинности. С другой стороны, есть противоположный подход к передаче информации, от противного. Тахион потому не может передавать информацию со сверхсветовой скоростью, что будет нарушена причинность. Здесь важно отметить, что причинность нарушается при сверхсветовой передаче информации только в теор ии относительности, только в СТО при этом возникают эффекты движения в прошлое, изменение направления причинно-связанных событий.
По мнению Мандельштама «...опровергнуть [теор ию относительности] можно только в том случае, если в природе найдутся процессы сигнального характера , более скорые, чем свет».
Наличие таких сигнальных процессов неизбежно привело бы и к другим противоречиям:
«Если бы сверхсветовые частицы существовали в действительности, их можно было бы естественным образом использовать для синхронизации часов наблюдателей при относительном движении. Такие наблюдатели были бы связаны не лоренц-преобразованиями, а новой группой преобразований, и тогда отпала бы часть аргументов в пользу требования лоренц-инвариантности. Более детальный анализ показывает, что такая точка зрения обманчива» .
Это интересное замечание. К нему следует добавить ещё одно интересное высказывание Биланюка, которое он противопоставляет претензиям к лоренц-инвариантности тахиона:
«Следует ожидать, что наши друзья-скептики так легко от нас не отстанут. Они могут указать, что величина 1/2 встречается не только в выражении для массы, но также и в выражении для длины, интервала времени и т. п. Поскольку все эти величины измеримы, они должны описываться действительными числами» .
И это верно! Друзья-скептики утверждают, что преобразования Лоренца появились как следствие инвариантности скорости света. Если есть инвариантная скорость, то она становится предельной скоростью передачи информации и наоборот . В этом случае нет и быть не может других скоростей, превышающих эту, инвариантную. Отсюда следует, что признание сверхсветовой скорости тахиона требует, как предположил Фейнберг, замены инварианта скорости света на инвариант скорости тахиона. Хотя он тут же и отвергает такую возможность, но её следует проанализировать более тщательно. Рассмотрим одно из приведённых выше уравнений Лоренца «поэлементно»:
Нас должно интересовать главным образом подкоренное выражение. Опишем входящие в него величины полным, развёрнутым текстом:
с - это скорость света, инвариантной величины; значение этой скорости неизменно, из какой бы системы отсчёта мы её ни фиксировали;
v - это скорость инерциальной системы отсчёта, движущейся относительно нашей условно неподвижной системы, и длину которой мы вычисляем в этом уравнении; инерциальная система отсчета представляет собой, условно говоря, некоторую тележку, с которой связана система координат, и на которой установлены часы.
Сразу же с далеко идущими последствиями становится видна весьма сомнительная процедура применения этого выражения (1) к тахиону. Действительно, мы считаем, что в этом выражении v - это скорость тахиона. Тогда в соответствии с канонами специальной теор ии относительности мы фактически утверждаем, что с тахионом связана инерциальная система отсчёта, тележка с часами и осями координат. Из этого сразу же следует вывод об ошибочности мнения Фейнберга: место инварианта - в знаменателе! Если хотя бы предполагается использовать тахион в качестве нового инварианта, скорость тахиона должна быть подставлена вместо скорости света. В противном случае это банальная подмена понятий, естественно и неизбежно ведущая к появлению субстанции, имеющей сомнительно материальную природу с большим набором мнимых характеристик: нельзя требовать от ИСО инвариантности её скорости.
Более того, если существует скорость передачи информации (или движения), превышающая скорость инварианта, в теор ии относительности неизбежно возникает парадокс, абсурд. Представим себе эту систему отсчёта, связанную с тахионом, из которой мы наблюдаем за движущимися мимо неё фотонами. Эти фотоны из тахионной системы отсчёта будут иметь разную скорость, которая зависит от скорости тахиона! Представим себе, например, попутное и встречное движение фотона в тахионной системе отсчета. В этих случаях фотон ведёт себя не менее удивительно, чем тахион. Во-первых, в одном из направлений - попутном, фотон вообще не может двигаться от источника. Во-вторых, в тахионной системе отсчёта фотон может двигаться только во встречном направлении. В-третьих, если же директивно применить к тахионной системе отсчёта инвариантность скорости света, требуя, чтобы внутри неё фотон двигался с неизменной скоростью во всех направлениях, то для любой обычной досветовой ИСО, движущейся мимо, этот фотон будет иметь скорость не меньше скорости тахионной системы отсчета. Таким образом, в случае тахионной инерциальной системы отсчёта скорость света в принципе не может быть инвариантом ! Но если скорость света - не инвариант, а скорость тахиона - не постоянная, то мы возвращаемся к давно отвергнутой физике Ньютона. Суть её в том, что скорости суммируются, то есть, к скорости тахиона может быть прибавлена скорость его источника.
Однако, постоянство скорости тахиона отвергается именно его якобы лоренц-инвариантностью, что следует из релятиви стского уравнения для энерги и тахиона. Поскольку, мол, энерги я тахиона изменяется, то скорость его не может быть одинаковой для всех ИСО. Но ведь изменчивость энерги и тахиона возникает вследствие того, что мы это сами и постул ировали, применив к нему лоренц-инвариантность. Как можно требовать постоянства энерги и и инварианта скорости, если тахиону постул ятивно «назначены» непостоянная энерги я и непостоянная скорость? Если же мы признаемся, что лоренц-инвариантность к тахиону неприменима, то всё неожиданно встаёт на свои разумные места, опровергая доводы Фейнберга:
«Инвариантность скорости света относительно различных наблюдателей связана не только с использованием света для синхронизации часов, но и с тем эмпирическ им фактом, что относительно любого наблюдателя скорость света не зависит от его энерги и, т. е. скорости источника света. Поскольку для тахионов это условие не может быть выполнено, их скорость будет различной для различных наблюдателей» .
Заключение о невыполнимости условия независимости энерги и тахиона от его скорости следует из релятиви стского уравнения его энерги и. Из уравнения, которое само по себе противоречит «расширенной» сверхсветовыми коммуникациями теор ии относительности, её исходным положениям. Тахион не является релятиви стским объектом, к нему неприменима теор ия относительности. Значит, и положение о зависимости его энерги и от скорости тоже неверно. И теперь уже ничто не препятствует тому, чтобы скорость тахиона стала инвариантом. В этом случае сразу же исчезают все мнимости в его описании, и мы получаем либо физику Ньютона с возможностью бесконечных скоростей, либо тахионную теор ию относительности с новым инвариантом скорости.
Казалось бы, в этом случае теор ия относительности превращается в ошибочную теор ию. Но не следует спешить. Теор ия относительности - это исключительно математическая теор ия. Вследствие этого она принципиально не может быть ошибочной, но только в рамках своих математических постул атов. Кроме того, применение её к реальности не имеет признанно подтверждённых отклонений. Поэтому все попытки противников релятиви зма опровергнуть его мысленными (читай: математическими) экспериментам обречены на провал . Только реальный физический эксперимент может показать, насколько полно математика специальной теор ии относительности относится к реальному физическому миру.
Конечно, все приведённые выкладки имеют смысл только при условии существования тахиона, сверхсветовой частицы. Пока она не обнаружена, но зато известно физическое, экспериментально подтверждённое явление - квантовая запутанность, объяснить которое без привлечения сверхсветовой коммуникации невозможно. В связи с этим следует ожидать, что физический эксперимент покажет нарушение инвариантности скорости света .
Литература
- Sommerfeld A. «Simplified deduction of the field and the forces of an electron, moving in a given way» Proc. Amsterdam Acad. 7 346 (1904)
- Барбашов Б.М., Нестеренко В.В. «Суперструны - новый подход к единой теор ии фундаментальных взаимодействий», УФН 150 (4) 489 (1986)
- Биланюк О., Сударшан Е., Частицы за световым барьером (Перевод Урнова А.М.). В книге «Эйнштейновский сборник. 1973», М., Наука, 1974, стр. 112-133. (дата обращения 16.02.2013)
Tachyon and the special relativity
Putenikhin P.V. mailto: [email protected]Abstract
Superluminal communication, move and tachyon are incompatible with the special relativity. Introduction to the special relativity superluminal particles - tachyons (quantino) allows movement to the past, leads to disruption of causality denies Lorentz invariance and invariance of the speed of light - the second postulate of special relativity. Moving of superluminal particles into the past and violation of causality - this phenomenon, inherent only the special relativity. In reality no the movement to the past and there is no violation of causality. Predictions of special relativity in regarding to tachyon are wrong, absurd and rejects the invariance of the speed of light. Invariant`s should be the speed of tachyons. In this case, there is no movement in time and violation of causality. However, in the limits of its applicability, in part of their postulates the mathematic of the special relativity is irrefutable by any thought experiments.
Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой E = mc 2 , еще в начале ХХ века указал на принципиальную невозможность ничему, обладающему массой, перемещаться в пространстве быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако уже в этой формулировке содержатся лазейки, обойти которые вполне по силам некоторым физическим явлениям и частицам. По крайней мере, явлениям, существующим в теории.
Первая лазейка касается слова «масса»: на безмассовые частицы эйнштейновские ограничения не распространяются. Не касаются они и некоторых достаточно плотных сред, в которых скорость света может быть существенно меньше, чем в вакууме. Наконец, при приложении достаточной энергии само пространство может локально деформироваться, позволяя перемещаться так, что для наблюдателя со стороны, вне этой деформации, движение будет происходить словно быстрее скорости света.
Некоторые такие «сверхскоростные» явления и частицы физики регулярно фиксируют и воспроизводят в лабораториях, даже применяют на практике, в высокотехнологичных инструментах и приборах. Другие, предсказанные теоретически, ученые еще пытаются обнаружить в реальности, а на третьи у них большие планы: возможно, когда-нибудь эти явления позволят и нам перемещаться по Вселенной свободно, не ограничиваясь даже скоростью света.
Квантовая телепортация
Статус: активно развивается
Живого существа – хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о телепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого – частиц.
Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал.
Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже – координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать – достаточно получить пару спутанных частиц.
Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных – необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко – достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.
Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника – собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.
К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, – думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.
Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.
Эффект Вавилова – Черенкова
Статус: давно используется
Этот аспект путешествий быстрее скорости света – приятный повод вспомнить заслуги российских ученых. Явление было открыто в 1934 году Павлом Черенковым, работавшим под руководством Сергея Вавилова, три года спустя оно получило теоретическое обоснование в работах Игоря Тамма и Ильи Франка, а в 1958 г. все участники этих работ, кроме уже скончавшегося Вавилова, были награждены Нобелевской премией по физике.
В самом деле, говорит лишь о скорости света в вакууме. В других прозрачных средах свет замедляется, причем довольно заметно, в результате чего на их границе с воздухом можно наблюдать преломление. Коэффициент преломления стекла равен 1,49 – значит, фазовая скорость света в нем в 1,49 раза меньше, а, например, у алмаза коэффициент преломления уже 2,42, и скорость света в нем снижается более чем в два раза. Другим частицам ничто не мешает лететь и быстрее световых фотонов.
Именно это произошло с электронами, которые в экспериментах Черенкова были выбиты высокоэнергетическим гамма-излучением со своих мест в молекулах люминесцентной жидкости. Этот механизм часто сравнивают с образованием ударной звуковой волны при полете в атмосфере на сверхзвуковой скорости. Но можно представить и как бег в толпе: двигаясь быстрее света, электроны проносятся мимо других частиц, словно задевая их плечом – и на каждый сантиметр своего пути заставляя сердито излучать от нескольких до нескольких сотен фотонов.
Вскоре такое же поведение было обнаружено и у всех других достаточно чистых и прозрачных жидкостей, а впоследствии излучение Черенкова зарегистрировали даже глубоко в океанах. Конечно, фотоны света с поверхности сюда действительно не долетают. Зато сверхбыстрые частицы, которые вылетают от небольших количеств распадающихся радиоактивных частиц, время от времени создают свечение, возможно, худо-бедно позволяющее видеть местным жителям.
Излучение Черенкова – Вавилова нашло применение в науке, ядерной энергетике и смежных областях. Ярко светятся реакторы АЭС, битком набитые быстрыми частицами. Точно измеряя характеристики этого излучения и зная фазовую скорость в нашей рабочей среде, мы можем понять, что за частицы его вызвали. Черенковскими детекторами пользуются и астрономы, обнаруживая легкие и энергичные космические частицы: тяжелые невероятно трудно разогнать до нужной скорости, и излучения они не создают.
Пузыри и норы
Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.
Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая . Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное... отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.
Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.
Статус: от фантастического до теоретического
Фотоны – частицы безмассовые, как и и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc 2 , задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».
В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.
Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.
Скорость тьмы
Статус: философический
Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше?..
Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.
Тахион= гравитон?
(По-Лаплассу, скорость гравитационного воздействия должна быть в семь миллионов раз
больше скорости... света -А.Скачинский,"Макро и Микро", Нью-Йорк,1984, стр.11-12)
Природа гравитации неясна учёным, это не электромагнитные волны света, не поток электронов тока, не магнитное взаимодействие тел...
Возможно, сохранившееся с первых мгновений Взрыва, а может и заложенные до него, свой-
ства проматерии...
Из интернета
Статья: Тахионы
ЧАСТИЦЫ, ДВИЖУЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА
Попытки обнаружить такие частицы, названные тахионами, дали лишь
отрицательные результаты. Однако, вопреки существующему всеобщему
заблуждению, их существование не противоречило бы теории
относительности.
Со времени формулировки Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 г.
и ее последующего подтверждения многочисленными экспериментами физики почти
поголовно убеждены в том, что скорость света в вакууме (около 300000
км/сек) - это максимальная скорость, с которой энергия или информация могут
распространяться в пространстве. Действительно, первая работа Эйнштейна по
теории относительности содержит утверждение: «скорости, превышающие скорость
света, существовать не могут».
В основе этого вывода Эйнштейна лежало заключение, согласно которому уравнения
теории относительности подразумевают возрастание массы объекта с увеличением
его скорости. В конце концов при достижении скорости света (которую обычно
обозначают с) масса становится бесконечной. Поскольку масса тела
является мерой его сопротивления изменению скорости в случае ее приближения к
бесконечному значению, дальнейшее ускорение тела становится невозможным. С
другой стороны, установленное соотношение между энергией и скоростью, имеющее
место в теории относительности, таково, что когда скорость тела приближается к
значению с, его энергия стремится к бесконечности. Поскольку эта энергия должна
быть сообщена каким-то образом телу в процессе ускорения, для ускорения тела от
какой-нибудь малой скорости до скорости света был бы необходим бесконечный
источник энергии. Подобные бесконечные источники энергии существовать не могут,
и поэтому никоим образом нельзя заставить тело увеличивать скорость от
величины, меньшей с вплоть до самой с.
Кроме того, если бы тело смогло хоть как-то перейти от скорости меньше c к
скорости больше с, в силу тех же уравнений теории относительности, его
энергия и импульс превратились бы в чисто мнимые числа, т. е. в числа,
содержащие квадратный корень из отрицательного числа. Подобная ситуация
кажется не имеющей никакого физического смысла. Дело в том, что объекты с
мнимой энергией, очевидно, не в состоянии обмениваться энергией с объектами,
имеющими реальную энергию, и в силу этого не могут на них воздействовать. По
этой причине подобные объекты нельзя обнаружить с помощью реальных приборов.
Поэтому вполне можно сказать, что они не существуют. В рамках теории,
разработанной Эйнштейном, в которой свойства объектов изменялись непрерывно,
а рождение новых объектов не рассматривалось, по этой причине казалось вполне
логичным допустить, что ни одна форма энергии, а тем самым, ни одна форма
вещества не в состоянии перемещаться быстрее света.
Однако с развитием субъядерной физики точка зрения на природу значительно
изменилась. Как мы теперь знаем, субъядерные частицы могут без труда
рождаться и уничтожаться и в результате взаимодействия их энергия и другие
свойства меняются скачками, а не непрерывным образом, типичным для
классической физики. Тем самым, можно представить себе ситуацию, когда
рождаются частицы, уже обладающие скоростью больше скорости света. Это
позволило бы обойти необходимость ускорения их через «световой барьер», что
должно сопровождаться бесконечным расходом энергии.
Далее можно потребовать, чтобы такие частицы всегда двигались со скоростями,
превышающими с, что, очевидно, невозможно предположить для известных частиц.
Если предположить выполнение этих условий, то без особого труда можно будет
удовлетворить требованию, согласно которому данные частицы должны переносить
вещественную энергию и импульс. Математически этого можно добиться, допустив,
чтобы определенная константа, входящая в соотношение между энергией и
скоростью, была бы чисто мнимой величиной, а не вещественной, как это имеет
место для обычных частиц. Эту константу обычно называют массой покоя,
поскольку для обычных тел, которые могут быть замедлены до состояния покоя,
она действительно дает значение массы покоя этого тела.
Соотношение между энергией и скоростью, которое должно выполняться для любого
объекта, подчиняющегося специальной теории относительности, имеет вид
(а)
где Е - энергия объекта, v - его скорость и с - скорость света.
Величину т принято называть массой покоя объекта, и она связана с
энергией покоя объекта Е0 формулой
(б)
Для тела, движущегося со скоростью, превышающей скорость света, отношение V
2/с2 больше единицы. Поэтому величина под знаком
квадратного корня в формуле (а) оказывается отрицательной, а знаменатель
величины, обозначенной в той же формуле через Е, оказывается чисто
мнимым числом (т. е. числом, содержащим квадратный корень из отрицательного
числа). Чтобы в этом случае сделать величину Е вещественной, следует
выбрать в качестве т чисто мнимое число
. Поскольку такой объект всегда перемещается со скоростью, превышающей скорость
света, его энергия, которую можно представить формулой
(в)
будет вещественной, поскольку величина (v2/c2 - 1) будет в
этом случае положительной. Импульс р любого тела, подчиняющегося
специальной теории относительности, можно выразить через его скорость формулой
(г)
в которой т не зависит от v. Как это следует из комбинации этой
формулы с формулой (а), величина, представленная формулой
E2 – p2c2 = m2c4 (д)
не зависит от v. Поэтому она будет одной и той же для всех наблюдателей.
Величина m2 (называемая квадратом массы покоя) в силу этого является
постоянной для всякого объекта, даже для частиц, подобных фотонам (световым
квантам) или тахионам, которые никогда не бывают покоящимися. Из этих
соотношений можно также вывести формулу
(е)
из которой следует, что если отношение V/с меньше единицы (как это имеет
место для обычных объектов), то рс/Е меньше единицы, Е2
- р2с2 больше нуля и, тем самым, m2 -
положительная величина. С другой стороны, для объектов, которые движутся
быстрее света, V/с больше единицы, E2 - р2
c2 меньше нуля и поэтому т2 - отрицательная
величина. В любом случае квадрат массы покоя для данного объекта имеет всегда
неизменное значение и может быть вычислен, если известны из опыта энергия и
импульс этого объекта.
Итак, для гипотетических частиц, движущихся быстрее света, которые в принципе
нельзя перевести в состояние покоя, масса покоя не является непосредственно
измеримой, и поэтому она не обязана быть вещественной. Однако квадрат массы
покоя можно выразить через измеримые величины - энергию и импульс частицы,- и,
тем самым, непосредственно измерить. Для обычных объектов квадрат массы покоя
является положительным вещественным числом. Для сверхсветовых частиц он должен
быть отрицательным числом; в действительности на этом обстоятельстве основаны
все попытки обнаружить эти частицы. Следует также упомянуть, что существует еще
и третий класс частиц, включающий фотоны (световые кванты) и нейтрино, для
которых масса покоя равна нулю, так что они всегда движутся со скоростью с.
Поэтому вполне реальной кажется возможность существования объектов природы
нового типа: они должны всегда двигаться быстрее света. Последнее утверждение
инвариантно в том смысле, что если тело движется быстрее света относительно
одного наблюдателя, оно должно двигаться быстрее света и относительно любого
другого наблюдателя, движущегося относительно первого наблюдателя со
скоростью, меньшей скорости света. Такие наблюдатели - единственные, о
которых мы что-нибудь знаем. Следует подчеркнуть, что все рассуждения,
приведенные здесь и ниже, совместимы со специальной теорией относительности и
исходят из справедливости ее формул для движущихся частиц, даже если эти
частицы движутся быстрее света.
В предвидении возможного открытия сверхсветовых частиц я назвал их
«тахионами» от греческого слова «тахис», что означает «быстрый». Чтобы
показать, как физики подходят к исследованию тахионов, я опишу ряд свойств,
благодаря которым можно было бы отличить их от обычных частиц.
Одно такое свойство следует непосредственно из соотношения между энергией и
скоростью в теории относительности. Мы видели, что для обычных частиц с
увеличением скорости их энергия также возрастает. Для тахионов же наоборот:
увеличение скорости приводит к убыванию энергии. Тем самым, тахион, который
потерял энергию за счет взаимодействия с обычной материей или за счет
испускания света, должен увеличить свою скорость. В то же время тахион,
получивший энергию от некоего источника, должен замедлиться и его скорость
должна стремиться к с сверху, а не снизу. Таким образом, скорость света
с играет роль предельной скорости и для тахионов, но для них - это нижний
предел, тогда как для обычных тел она является верхним пределом их скорости.
В предельном случае тахиона, движущегося с бесконечной скоростью, его полная
энергия должна равняться нулю, хотя его импульс остается конечным. Следует
подчеркнуть, что для тахиона, движущегося с бесконечной скоростью, в нуль
обращается именно полная энергия, а не просто кинетическая энергия. Для
обычных частиц с ненулевой массой покоя полная энергия никогда не может
обратиться в нуль.
Однако условие бесконечности скорости тахиона не инвариантно, а зависит от
наблюдателя. Если тахион движется с бесконечной скоростью с точки зрения одного
наблюдателя, то его скорость, измеренная другим наблюдателем, движущимся
относительно первого, не должна быть бесконечной, а должна быть некой конечной
величиной между с и бесконечностью. Это есть другая интерпретация
открытия Эйнштейном того, что понятие одновременности событий в различных
точках пространства имеет лишь относительный, а не абсолютный смысл.
Второе свойство тахионов, которое серьезно отличает их от обычных частиц,
связано с зависимостью значений энергии и последовательности событий во
времени от относительного движения наблюдателей. Для обычных частиц энергия -
это число, которое изменяется при переходе от наблюдателя к наблюдателю, но
остается всегда положительным. В то же время, если энергия тахиона
положительна для одного наблюдателя, она может быть отрицательной для другого
наблюдателя, движущегося относительно первого. Вследствие законов теории
относительности для тахионов справедливо следующее утверждение: энергия
тахиона всегда меньше произведения его импульса на скорость света с; это
замечание не имеет места для обычных частиц. Если тахионы отрицательной
энергии испускаются невозбуждаемыми атомами обычной материи, то испускающие
атомы должны быть нестабильными, и, тем самым, существование таких тахионов
находится в противоречии с установленной на опыте стабильностью обычной
материи.
Изменение знака энергии тахиона при переходе от наблюдателя к наблюдателю
связано с другим странным свойством тахионов. Если один наблюдатель видит, что
обычная частица была испущена (скажем, атомом А) в некоторый момент
времени и поглощена где-то (атомом Б) в последующий момент времени, то
всякий другой наблюдатель, движущийся относительно первого, увидит этот процесс
в той же хронологической последовательности - испускание атомом А
предшествует во времени поглощению атомом Б - хотя временной интервал и
будет меняться от наблюдателя к наблюдателю. В то же время тахионы из-за того,
что они движутся быстрее света, могут двигаться между точками в «пространстве -
времени», хронологическая последовательность которых может меняться от
наблюдателя к наблюдателю. Следовательно, если один из наблюдателей увидел
тахион, испущенный атомом А в момент времени t1 и
поглощенный атомом Б в последующий момент времени t2,
то другой наблюдатель может найти, что момент времени t1"
который соответствует t1, является более поздним, чем момент
времени t2, который соответствует t2"
. Если это имеет место, то второй наблюдатель естественно должен
интерпретировать эту цепочку событий следующим образом: тахион испускается
атомом Б поглощение должны взаимно превращаться друг в друга в случае
изменения скорости наблюдателя. Это означает, что между этими двумя процессами
в данном случае существует более тесная связь, чем для обычных частиц.
Это означает также, что число тахионов, находящихся в некоторой области
пространства, должно меняться от наблюдателя к наблюдателю (рис. 7.2).
Предположим, что один из наблюдателей видит процесс испускания тахиона атомом
с последующим удалением тахиона на бесконечность. Другой наблюдатель может
наблюдать тот же процесс так, как будто тахион прилетает из окружающего
пространства и поглощается атомом. Поэтому между этими двумя наблюдателями
будут разногласия относительно числа тахионов, присутствующих в системе в
прошлом и в будущем. Такая ситуация опять-таки не похожа на ситуацию с
обычными частицами, когда число частиц, имеющихся в произвольный момент
времени,
Не зависит от наблюдателя. Детальная теория взаимодействия тахионов с обычной
материей, которая пока еще не разработана, должна учитывать отмеченные
особенности.
Убедившись в том, что существование частиц, движущихся быстрее света, не
влечет за собой каких-либо противоречий с теорией относительности, следует,
тем не менее, предоставить решение вопроса о реальном существовании таких
объектов в природе физикам-экспериментаторам. При существующем уровне
развития теоретической физики имеется немного аргументов, в силу которых
теория категорически предсказывает существование каких-то новых объектов.
Напротив, известные теории, вообще говоря, лишь представляют возможность для
описания различных гипотетических объектов, и нам следует придумать
эксперименты, в которых эти объекты можно было бы реально обнаружить.
Например, имеющиеся теории не запрещают существования частиц с электрическим
зарядом, равным половине заряда электрона, и с массой, равной шести
электронным массам. Однако проведенные до сих пор эксперименты довольно
убедительно свидетельствуют о том, что такие объекты в природе не
встречаются. Мы не знаем, однако, почему это имеет место, и не сможем узнать
об этом до тех пор, пока не будет создана более фундаментальная теория
элементарных частиц, чем имеется сейчас.
В проблеме тахионов ситуация совершенно аналогична; окончательное решение..
вопроса об их существовании может принадлежать только экспериментаторам. Это
не значит, однако, что они должны надеяться лишь на то, что им удастся
наткнуться на тахионы где-то во Вселенной. Одной из особенностей всех теорий
элементарных частиц, использующих теорию относительности, является следующее
обстоятельство. В них подразумевается, что если частицы определенного типа
вообще существуют, то они могут быть рождены другими частицами, если
последние обладают достаточной энергией. Для тахионов условие, связанное с
достаточностью энергии, удовлетворить особенно легко: быстрые тахионы
обладают очень низкой энергией. Поэтому нетрудно представить себе условия
эксперимента, в котором тахионы, если они вообще существуют, могли бы
порождаться другими частицами. Единственный неизвестный фактор, кроме самой
гипотезы существования тахионов,- это вероятность, с какой они могли бы
рождаться. Среди известных частиц вероятности рождения при столкновениях
различаются по величине на много порядков. Пионы, например, рождаются
довольно легко, тогда как нейтрино - очень трудно. В силу этих обстоятельств
положительный результат эксперимента, конечно, подтвердит существование
тахионов. Однако отрицательный результат может в лучшем случае установить
лишь верхний предел вероятности, с которой тахионы могут быть рождены
обычными частицами. Только установление того факта, что эта вероятность во
всех изученных процессах оказывается намного меньше вероятности рождения
любой другой частицы, могло бы привести к выводу, что тахионы, вероятно,
вообще не существуют.
До сих пор были предприняты две попытки экспериментального рождения и
обнаружения тахионов. Эти эксперименты были чувствительны к столь различным
типам тахионов и в них были использованы столь разные методы обсуждения
последних, что имеет смысл обсудить их по отдельности. Первый эксперимент,
который был поставлен два года назад в Принстонском университете Торстеном
Альвагером и Майклом Н. Крайслером, ставил перед собой целью поиск
электрически заряженных тахионов. Как известно, около 35 лет назад было
установлено, что электрически заряженные частицы могут рождаться парами при
прохождении через вещество ***-квантов (фотонов) высокой энергии. Многие
известные сейчас заряженные элементарные частицы были впервые воспроизведены
именно таким путем. Отсюда следует, что если электрически заряженные тахионы
существуют, то их в принципе можно породить с помощью фотонов. Как отмечалось
выше, поскольку тахионы могут иметь нулевую полную энергию, пара заряженных
тахионов может быть рождена фотоном любой энергии. В то же время пара обычных
заряженных частиц может быть рождена только таким фотоном, который обладает
энергией, более чем вдвое превышающей энергию покоя каждой из заряженных
частиц.
Допустим теперь, что нам удалось породить заряженные тахионы. Возникает
вопрос: как в этом случае можно было бы их обнаружить и отличить от других
заряженных частиц, которые могут быть рождены тем же способом, например от
электрон-позитронной пары? Самый подходящий способ обнаружения - это
использование того факта, что заряженные тахионы должны непрерывно излучать
фотоны даже при движении через пустое пространство. Это явление, названное
излучением Черенкова по имени русского физика, впервые наблюдавшего его при
движении электронов в 1934 г., имеет место тогда, когда заряженный объект
движется через вещество со скоростью, превышающей скорость света в данном
веществе. Таким образом, электрон, движущийся в стекле со скоростью большей
чем 0,7с, будет испускать излучение Черенкова, поскольку скорость света в
стекле составляет около 0,7 от ее значения в пустоте. Поскольку скорость
тахиона больше скорости света в пустоте, следует ожидать, что тахион должен
испускать черенковское излучение даже в вакууме.
Расчеты подтверждают это предположение: свет должен испускаться под
характеристическим углом, зависящим только от скорости тахиона (рис. 7.3).
Вычисления также показывают, что тахион с зарядом, равным заряду электрона,
должен терять энергию за счет излучения Черенкова невероятно быстро. Даже если
он рождается с очень высокой энергией, она уменьшается до величины менее 1
эв при прохождении всего 1 мм пути. Если такое произойдет, то
излучение Черенкова не будет более представлять собой видимый свет, энергия
фотонов которого превышает 2 эв. В этом случае это излучение содержит
фотоны инфракрасного и более длинноволновых участков спектра, которые
фиксировать гораздо труднее. Чтобы
Обойти эту трудность, экспериментаторы из Принстона использовали остроумную
схему, которая позволяла каждому рожденному тахиону двигаться сквозь область,
свободную от вещества, но содержащую электрическое поле. Электрическое поле
передает энергию заряженным частицам, но в случае обычных частиц этот факт не
приводит к излучению заметных количеств света. В то же время для тахиона,
проходящего участок пути с включенным электрическим полем, за счет получаемой
от него энергии достигается равновесие между этой энергией и энергией,
теряемой на излучение. В силу этого он будет продолжать излучать фотоны
примерно одинаковой равновесной энергии. Меняя значение напряженности поля,
экспериментаторы могли выбрать эту равновесную энергию так, чтобы она
соответствовала излучению фотонов видимого света. Это должно было позволить
без труда наблюдать это излучение.
В своих экспериментах Альвагер и Крайслер использовали;-кванты от
радиоактивного цезиевого источника. Эти фотоны высокой энергии попадали в
свинцовый экран, который препятствовал попаданию их непосредственно в
детектор. За экраном находилась область высокого вакуума, содержавшая две
параллельные пластины, между которыми создавалось электрическое поле (рис.
7.4). Пары заряженных тахионов могли порождаться фотонами при прохождении
последних через свинец, и некоторые из них должны были проникнуть (поскольку
при ускорении они теряют энергию) в область между пластинами. Для обнаружения
фотонов, излучаемых тахионами, пересекающими эту область, использовался
фотоумножитель.
В проведенных экспериментах не было зарегистрировано излучение Черенкова и
поэтому не были получены данные, свидетельствующие о рождении тахионов.
Точнее говоря, было установлено, что вероятность рождения тахионных пар
составляет менее одной десятитысячной от известной вероятности рождения
электрон-позитронных пар фотонами несколько более высокой энергии.
Соотношение между массой и энергией тахионов делает в высшей степени
маловероятным предположение, что эта вероятность может сильно зависеть либо
от энергии фотона, либо от массы тахиона. Следовательно, если отбросить пока
одно уточнение, которое обсуждается ниже, можно сказать, что тахионы с
зарядом, близким по величине к заряду электрона, просто не существуют.
Тахионы с зарядами, отличающимися от заряда электрона более чем в два раза в
большую сторону или в десять раз в меньшую сторону, в данном случае,
вероятно, вообще нельзя обнаружить. Конечно, незаряженные тахионы, не
испускающие излучения Черенкова, вовсе не могли наблюдаться в этих
экспериментах.
Уточнение, которое следует сделать в этих выводах, связано с тем, что
тахионы, быть может, способны терять энергию за счет других процессов, помимо
излучения Черенкова. Одна из таких возможностей - распад отдельного тахиона
на несколько тахионов, каждый из которых обладает меньшей энергией. Если
существуют и другие механизмы энергетических потерь, то интенсивность реально
испущенного излучения Черенкова может быть меньше предполагаемой. Поэтому
значение верхнего предела для вероятности рождения тахионов может оказаться
слишком заниженным. По этой причине, а также потому, что мы, вообще говоря,
находимся в неведении относительно возможных типов взаимодействия тахионов с
обычным веществом, было бы желательно исследовать тахионы так, чтобы
результаты исследования не зависели от того, какие взаимодействия испытывают
тахионы после рождения.
Такой эксперимент был выполнен недавно группой сотрудников Колумбийского
университета, в которую входили Чарльз Балтэй, Ральф Линскер, Ноэль К. Иех и
Дж. Фейнберг.
Исследования этой группы, выполненные на примере аннигиляции антипротонов с
протонами, не дали ни одного примера рождения тахионов и привели к столь же
низкому пределу вероятности рождения их в этой реакции. В каждом из
экспериментов одиночные тахионы могли бы родиться, только если квадрат их
массы оказался бы в определенной области его значений. Поэтому данные
эксперименты могут служить проверкой возможности рождения отдельных тахионов
только для частиц со значениями квадрата массы в этой определенной области.
Однако есть некоторые основания утверждать, что рождение одиночных тахионов
вообще запрещено, точно так же как запрещено рождение одиночных электронов
без появления других сходных с ним частиц. Вместе с тем рождение двух
тахионов или тахион - антитахионной пары не является столь же запрещенным
процессом. Подобные случаи рождения двух частиц могут происходить в любом
эксперименте, независимо от того, чему равен квадрат массы отдельного
тахиона. Поэтому из выполненных экспериментов в действительности следует
довольно резкое ограничение на рождение одиночных тахионов любой массы, за
исключением таких значений масс, которые столь близки к нулю, что их можно в
пределах ошибок эксперимента считать положительными.
Таким образом, оба прямых экспериментальных исследования по обнаружению
тахионов, проведенные до сих пор, дали отрицательные результаты. Косвенные
соображения также имеют тенденцию к дальнейшему ограничению возможных
взаимодействий тахионов. Согласно одному из этих соображений, если заряженные
тахионы существуют, то фотон должен быть нестабильным и распадаться через
некоторое время на пару заряженных тахионов.
Между тем, как известно, фотоны миллиарды лет путешествуют в межгалактическом
пространстве и при этом не распадаются. Это означает, что если заряженные
тахионы вообще существуют, то либо их заряд по величине на много порядков
меньше заряда электрона, в силу чего они взаимодействуют с фотонами очень
слабо, либо квадрат их массы очень близок к нулю, что делает задачу
распознавания их среди обычных частиц очень трудной. Аналогичные выводы,
исходя из косвенных аргументов, можно сделать относительно весьма слабых
взаимодействий нейтральных тахионов.
Возможность того, что тахионы существуют, но совсем не взаимодействуют с
обычными частицами, не должна нас интересовать. Если они не взаимодействуют с
объектами, входящими в состав нашей измерительной аппаратуры, у нас не будет
никакой возможности обнаружить их, и с нашей точки зрения это означает то же
самое, как если бы они вообще не существовали.
Весьма правдоподобная интерпретация описанных выше результатов состоит в том,
что тахионы вообще не могут рождаться при столкновениях обычных частиц. Тогда
остаются две возможности. Одна маловероятная возможность связана с
допущением, что тахионы взаимодействуют с обычными частицами и могут
обмениваться с ними энергией, но не могут ими порождаться. Такая ситуация
находилась бы в очень сильном противоречии со всем нашим пониманием
релятивистской квантовой теории фундаментальных частиц, так что она
маловероятна, но не невозможна. Эту гипотезу можно было бы проверить,
исследуя тахионы в естественных условиях, например, в космических лучах.
Трудности в проведении таких исследований обусловлены тем, что тахионы быстро
теряют энергию, и их становится трудно обнаружить. Вторая возможность состоит
в том, что тахионы просто не существуют, и, тем самым, природа вообще не
заполнила эту нишу, дозволенную теорией относительности. Если это так, а
теперь это кажется наиболее вероятным, то мы не сможем разобраться, почему
это так, пока не достигнем гораздо более глубокого уровня понимания природы
элементарных частиц, чем это имеет место в настоящее время.
Автор: Дж. Фейнберг
Перевод с английского: В.П. Павлов, А.А. Славнов
