У Стандартній моделі фізики частинок та спеціальній теорії відносності Ейнштейна швидкість світла у вакуумі (c) слугує абсолютною космічною межею швидкості. Проте математичні рамки теорії відносності явно не забороняють існування частинок, які завжди рухаються швидше за світло. Ці гіпотетичні об'єкти відомі як тахіони.
1. Історичне походження
Сучасна формалізація концепції тахіонів приписується фізику Джеральду Файнбергу, який створив цей термін у своїй знаковій статті 1967 року в Physical Review. Назва походить від грецького слова tachys, що означає "швидкий". Одночасно E.C.G. Сударшан, O.M.P. Біланюк та V.K. Дешпанде класифікували всю матерію на три категорії: брадіони (v < c), люксони (v = c) та тахіони (v > c).
2. Кінематика уявної маси
Релятивістське рівняння енергії-імпульсу: E² = (pc)² + (m₀c²)². Коли v > c, вираз (1 - v²/c²) стає від'ємним. Щоб енергія залишалася дійсною, маса спокою повинна бути уявною: m₀ = iμ.
Обернене співвідношення енергії та швидкості
Для звичайної матерії додавання енергії збільшує швидкість. Для тахіонів співвідношення обернене: втрата енергії збільшує швидкість. Коли енергія тахіона наближається до нуля, його швидкість наближається до нескінченності. Швидкість світла є непрохідною підлогою для тахіонів.
3. Квантова теорія поля та теорія струн
У квантовій теорії поля тахіон розуміється як ознака нестабільності системи, що вирішується через тахіонну конденсацію. Найвідоміший приклад - поле Хіггса. У бозонній теорії струн основний стан струни є тахіоном, проблему вирішила суперсиметрія.
4. Експериментальні пошуки
Протягом десятиліть фізики шукали тахіони за допомогою детекторів космічних променів та прискорювачів частинок. У 2011 році експеримент OPERA повідомив, що мюонні нейтрино рухалися швидше за світло. Ця аномалія виявилася помилкою вимірювання (ненадійне оптоволоконне з'єднання).
Висновок
Тахіони залишаються елегантною математичною цікавинкою та важливим теоретичним інструментом. Хоча вони ніколи не були виявлені як фізичні частинки, математика уявної маси та тахіонних полів є центральною для сучасної квантової теорії поля та механізму Хіггса.