В стандартния модел на физиката на частиците и специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн, скоростта на светлината във вакуум (c) служи като абсолютна космическа скоростна граница. Математическата рамка на относителността обаче не забранява изрично съществуването на частици, които винаги се движат по-бързо от светлината. Тези хипотетични обекти са известни като тахиони.
1. Историческият произход на тахионите
Концептуалната основа за свръхсветлинните частици датира от началото на 20 век. Още през 1917 г. физикът Ричард Толман осъзнава, че свръхсветлинното движение в рамките на специалната относителност би довело до нарушения на каузалността.
Модерната формализация на концепцията за тахион се приписва основно на физика Джералд Файнберг, който измисля термина в знаковата си статия от 1967 г. в Physical Review. Името идва от гръцката дума tachys (бърз). Физиците Судархан, Биланюк и Дешпанде независимо разработват кинематична рамка за суперлуминални частици, класифицирайки цялата материя в три категории: бредиони, луксони и тахиони.
2. Кинематика на имагинерната маса
За частица, движеща се по-бързо от светлината, изразът под квадратния корен (1 - v²/c²) става отрицателен. За да остане общата енергия реално число, масата в покой трябва да е имагинерно число. Така тахионите се дефинират математически чрез притежаване на имагинерна маса в покой.
Обърнатото съотношение енергия-скорост
Едно от най-контраинтуитивните свойства на тахионите е как реагират на промени в енергията. За обикновената материя добавянето на енергия увеличава скоростта. За тахионите отношението е обърнато: загубата на енергия увеличава скоростта им. Когато енергията на тахиона се приближава до нула, скоростта му се приближава до безкрайност.
3. Тахиони в квантовата теория на полето и теорията на струните
В квантовата теория на полето тахионът се разбира не като частица, движеща се по-бързо от светлината, а като индикация за нестабилност в системата. Най-известният пример е полето на Хигс, което преминава тахионна кондензация, за да даде маса на фундаменталните частици.
4. Експериментални търсения и аномалията OPERA
Никога не са намерени потвърдени експериментални доказателства за тахиони. Най-известният модерен случай беше аномалията на неутрините OPERA от 2011 г., когато експериментът в CERN първоначално съобщи за неутрина, движещи се по-бързо от светлината. По-късно се установи, че аномалията е причинена от експериментални грешки, включително разхлабен оптичен кабел.
Заключение
Тахионите остават елегантна математическа любопитност и жизненоважен теоретичен инструмент. Въпреки че физически частици, движещи се по-бързо от светлината, никога не са открити, математиката на имагинерната маса и тахионните полета е абсолютно централна за модерното ни разбиране на квантовата теория на полето и произхода на масата.