Различие между тахионом и фотоном выходит далеко за рамки простой скорости. Они существуют в совершенно разных кинематических областях, разделённых непреодолимой границей скорости света (c). Один представляет абсолютный универсальный предел скорости, а другой -- гипотетическую область, где этот предел является нижним, а не верхним.
1. Природа массы: люксоны и тахионы
В рамках релятивистской кинематики все частицы классифицируются по их инвариантной массе покоя (m₀).
Фотон классифицируется как люксон. Он имеет строго нулевую массу покоя (m₀ = 0). Поскольку у него нет массы, он не может покоиться ни в одной системе отсчёта; он должен всегда двигаться ровно со скоростью c в вакууме. Его энергия полностью кинетическая и напрямую связана с его импульсом через уравнение E = pc.
Тахион, напротив, обладает мнимой массой покоя (m₀ = iμ). Эта математическая особенность необходима для того, чтобы его полная энергия и импульс оставались действительными наблюдаемыми числами при движении быстрее c. Поскольку его масса мнимая, квадрат массы отрицателен (m² < 0).
2. Соотношение энергии и скорости
Наиболее драматическое различие между фотонами и тахионами -- их реакция на изменение энергии.
- Фотоны: Добавление энергии фотону не изменяет его скорость. Высокоэнергетический гамма-фотон и низкоэнергетический радиофотон движутся ровно со скоростью c в вакууме. Вместо этого добавление энергии увеличивает частоту фотона (и уменьшает длину волны) согласно соотношению Планка-Эйнштейна (E = hf).
- Тахионы: Соотношение энергии и скорости инвертировано. Добавление энергии тахиону замедляет его, приближая скорость к c сверху. Отнятие энергии заставляет тахион ускоряться. Тахион с нулевой энергией двигался бы с бесконечной скоростью.
Абсолютный барьер
Скорость света (c) действует как двустороннее зеркало. Для обычной материи (брадионов) c является потолком, для достижения которого требуется бесконечная энергия. Для тахионов c является полом, для достижения которого также требуется бесконечная энергия. Фотоны живут ровно на самом зеркале. Ни тахионы, ни обычная материя не могут пересечь барьер и превратиться в другой тип.
3. Спин и спиральность
В квантовой электродинамике (КЭД) фотон является калибровочным бозоном со спином 1. Однако, поскольку он безмассовый и движется со скоростью c, его спин может быть направлен только параллельно или антипараллельно направлению движения. У него есть только два поляризационных состояния (левая и правая спиральность).
Если бы тахион был квантовой частицей со спином, правила группы Пуанкаре диктовали бы ему непрерывный спин (бесконечное число поляризационных состояний) из-за пространственноподобного вектора импульса. Поскольку бесконечные поляризационные состояния не наблюдаются в природе, теоретики строго моделируют тахионы как скалярные поля (спин 0), а не векторные бозоны, подобные фотону.
4. Причинность и пространство-время
Фотоны следуют светоподобным (или нулевым) траекториям через четырёхмерное пространство-время. Световой сигнал связывает причину и следствие с максимально возможной скоростью во Вселенной. Все наблюдатели, независимо от их относительного движения, будут согласны с порядком событий, связанных фотоном.
Тахионы следуют пространственноподобным траекториям. Это фундаментально нарушает причинность. Если тахион передаёт сигнал, порядок испускания и поглощения зависит от системы отсчёта наблюдателя. Наблюдатель A может видеть, как тахион движется от точки 1 к точке 2, тогда как быстро движущийся наблюдатель B видит, как тахион движется от точки 2 к точке 1.
Итоги
Фотон -- это глубоко верифицированный безмассовый переносчик электромагнитной силы, определяющий геометрию пространства-времени. Тахион -- это теоретическая конструкция, математическое исследование того, что происходит с преобразованиями Лоренца, когда скорости превышают инвариантную скорость фотона. В то время как фотоны связывают Вселенную воедино, тахионы представляют гипотетические нестабильности, разрывающие вакуумные состояния.