Badania nad tachionami, cząstkami, które według teorii poruszają się szybciej niż światło, poczyniły znaczne postępy, ujawniając, że wcześniejsze niespójności w mechanice kwantowej wynikały z nieodpowiednich warunków brzegowych. Nowe ramy, uwzględniające zarówno stany przeszłe, jak i przyszłe, nie tylko rozwiązują te problemy, ale sugerują nowy typ splątania kwantowego i pozycjonują tachiony jako kluczowe dla powstawania materii poprzez wzbudzenia pola Higgsa. Źródło: SciTechDaily.com
Niedawne postępy w teorii tachionów zajęły się przeszłymi niespójnościami, włączając zarówno przeszłe, jak i przyszłe stany do warunków brzegowych, co doprowadziło do nowej teorii splątania kwantowego i zasugerowało kluczową rolę tachionów w tworzeniu materii.
Tachyony to hipotetyczne cząstki poruszające się z prędkością większą niż prędkość światła. Te nadświetlne cząstki to „enfant straszny” współczesnej fizyki. Do niedawna powszechnie uważano je za byty nie mieszczące się w szczególnej teorii względności. Jednak właśnie opublikowano artykuł przez fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytet Oksfordzki pokazało, że wiele z tych uprzedzeń było bezpodstawnych. Tachiony nie tylko nie są wykluczone przez teorię, ale pozwalają nam lepiej zrozumieć ich strukturę przyczynową.
Ruch nadświetlny i tachiony
Ruch z prędkością przekraczającą prędkość światła jest jednym z najbardziej kontrowersyjnych zagadnień w fizyce. Hipotetyczne cząstki, które mogą poruszać się z prędkością ponadświetlną, zwane tachionami (od greckiego tachýs – szybko, szybko), to „enfant straszny” współczesnej fizyki. Do niedawna powszechnie uważano je za twory nie mieszczące się w szczególnej teorii względności.
Wyzwania dla teorii tachionów w mechanice kwantowej
Dotychczas znane były co najmniej trzy przyczyny nieistnienia tachionów w teorii kwantowej. Po pierwsze: stan podstawowy pola tachionowego miał być niestabilny, co oznaczałoby, że takie cząstki nadświetlne będą tworzyć „lawiny”. Po drugie: zmiana obserwatora inercjalnego miała prowadzić do zmiany liczby cząstek obserwowanych w jego układzie odniesienia, jednak istnienie, powiedzmy, siedmiu cząstek nie może zależeć od tego, kto na nie patrzy. Trzeci powód: energia cząstek nadświetlnych może przyjmować wartości ujemne.
Tymczasem grupa autorów: Jerzy Paczos realizujący doktorat na Uniwersytecie w Sztokholmie, Kacper Dębski kończący doktorat na Wydziale Fizyki, Szymon Cedrowski, student ostatniego roku fizyki (Studies in English) oraz czterech kolejnych doświadczonych badacze: Szymon Charzyński, Krzysztof Turzyński, Andrzej Dragan (wszyscy z Wydziału Fizyki UW) i Artur Ekert z Uniwersytetu Oksfordzkiego wskazali właśnie, że dotychczasowe trudności z tachionami mają wspólną przyczynę.
Okazało się, że „warunki brzegowe”, które wyznaczają przebieg procesów fizycznych, obejmują nie tylko stan początkowy, ale także stan końcowy układu. Wyniki międzynarodowego zespołu badaczy właśnie zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Przegląd fizyczny D.
Przełom w zrozumieniu tachionów
Mówiąc najprościej: aby obliczyć prawdopodobieństwo zajścia procesu kwantowego z udziałem tachionów, należy znać nie tylko jego przeszły stan początkowy, ale także przyszły stan końcowy. Kiedy fakt ten został uwzględniony w teorii, wszystkie wspomniane wcześniej trudności całkowicie zniknęły, a teoria tachionów stała się matematycznie spójna. „To trochę jak z reklamą w Internecie – jeden prosty trik może rozwiązać Twoje problemy” – mówi Andrzej Dragan, główny inicjator całego przedsięwzięcia badawczego.
„Pomysł, że przyszłość może wpływać na teraźniejszość, a nie teraźniejszość determinująca przyszłość, nie jest nowy w fizyce. Jednak do tej pory tego typu pogląd był co najwyżej nieortodoksyjną interpretacją pewnych zjawisk kwantowych i tym razem do takiego wniosku zmusiła nas sama teoria. Aby „zrobić miejsce” dla tachionów, musieliśmy rozszerzyć przestrzeń stanów”, podsumowuje Dragan.
Implikacje i przyszłość badań nad tachyonami
Autorzy przewidują także, że rozszerzenie warunków brzegowych ma swoje konsekwencje: w teorii pojawia się nowy rodzaj splątania kwantowego, mieszającego przeszłość z przyszłością, którego nie ma w konwencjonalnej teorii cząstek. W artykule pojawia się także pytanie, czy opisane w ten sposób tachiony są czysto „możliwością matematyczną”, czy też istnieje duże prawdopodobieństwo, że pewnego dnia takie cząstki zostaną zaobserwowane.
Zdaniem autorów tachiony są nie tylko możliwością, ale wręcz niezbędnym składnikiem procesu samorzutnego rozpadu odpowiedzialnego za powstawanie materii. Hipoteza ta oznaczałaby, że wzbudzenia pola Higgsa, zanim symetria została samoistnie zerwana, mogły przemieszczać się w próżni z prędkościami ponadświetlnymi.
Literatura: „Kowariantna kwantowa teoria pola tachionów” Jerzego Paczosa, Kacpra Dębskiego, Szymona Cedrowskiego, Szymona Charzyńskiego, Krzysztofa Turzyńskiego, Artura Ekerta i Andrzeja Dragana, 9 lipca 2024 r., Przegląd fizyczny D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.110.015006
