тахионы что это такое
Тахионный звездолет
Тахионы — это гипотетические частицы, которые движутся быстрее скорости света. Могут ли инопланетяне каким-то образом использовать их для космических путешествий?
Тахионы и не только
Вся материя, существующая во Вселенной, делится на три основных класса. Это тардионы, частицы, которые могут двигаться с любой скоростью, меньшей скорости света (нормальная материя); люксоны, которые могут существовать, только двигаясь со скоростью света (фотоны и нейтрино); и тахионы — частицы, которые существуют только на сверхсветовых скоростях. Существование всех трех классов предсказывается в работах Альберта Эйнштейна.
Эффективное освоение дальнего космоса невозможно без открытия технологии полета со скоростями, превышающими скорость света. И, возможно, нам помогут в этом свойства тахионов. Нам нужно научится каким-то образом преобразовывать тардионную материю, из которой состоят космические корабли, в тахионную в начале пути, и обратно преобразовывать в пункте назначения. Подобные манипуляции могут выглядеть как магия. Но на самом деле они не нарушают никаких законов физики. И ученые полагают, что это вполне осуществимо. Фактически, возможность подобного преобразования из одного класса материи в другой в какой-то степени уже подтверждена экспериментально.
Конечно, тахионы еще не обнаружены. Но физики-ядерщики давно знают, что электрон и позитрон, которые являются тардионами, аннигилируют, если их столкнуть вместе. При этом испускается два или три фотона, которые являются люксонами. Другим примером подобного процесса является распад нейтрона. Он является тардионом. И продуктом этого распада, среди прочего, является антинейтрино. Которое является люксоном. Преобразование между тардионами и люксонами и обратном направлении, то есть от люксонов к тардионам тоже вполне реальное физическое явление. Например, бета-распад нейтрона. Поэтому у науки нет никаких принципиальных возражений против возможности преобразования тардионов в тахионы и наоборот. Хотя этот процесс, возможно, придется осуществлять через каких-то посредников.
Но если мы найдем способ подобного преобразования, проблемы все еще останутся. Нужно будет научиться производить процедуру таким образом, чтобы не нарушить структуру молекул, из которых построен изначальный объект.
Туда и обратно
Одним из предлагаемых способов осуществления подобных преобразований включает использование концепции квантово-механического «туннелирования». Квантовая механика предсказывает, что частицы могут проходить через энергетические барьеры, которые являются «слишком высокими» для их преодоления. (Это, по сути, и есть объяснение излучения Хокинга, которое несет ответственность за испарение черных дыр.) Используя эффект туннелирования, частица с недостаточной энергией, чтобы пройти «через» барьер, вместо этого проходит «сквозь него». Такое своеобразное поведение частиц подтверждается в лабораториях. И используется в современных электронных устройствах (например, туннельных диодах) в качестве компонентов компьютерных схем.
Ученые предполагают, что если мы сможем подойти достаточно близко к световому барьеру, возможно, нам удастся «проложить туннель» через него и оказаться с другой стороны. Звездолет начнет терять энергию, чтобы двигаться все быстрее и быстрее.
Что же будут наблюдать космонавты во время своего сверхсветового путешествия? Не исключено, что тардионные и тахионные Вселенные имеют симметричную эквивалентность. И это интуитивное наблюдение подтверждается некоторыми математическими рассуждениями.
Звездный корабль из тардионной материи, движущийся при 50% скорости света в нашей Вселенной, который внезапно превратится в тахионы, будет лететь со скоростью 200% относительно нашей Вселенной. Но в той Вселенной, где корабль действительно находится, оно все равно будет двигаться только при 50% скорости света.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Коротко про тахионы
В общепринятой картине мира, в которой правит та самая Теория Относительности — «ТО», скорость света «С» считается предельной скоростью, и эту же величину приписывают предельной скорости взаимодействия, протекания всех процессов во вселенной. Та же ТО утверждает зависимость энергии и массы тела от скорости – знаменитое уравнение E=m*c2.
Т.е. для объекта, обладающего массой, и достигшего С, время попросту остановится, а масса и энергия станут бесконечными, что сами понимаете весьма нежелательно на практике как и любой парадокс).
Поэтому все частицы движущиеся со скоростью света, общее название «люксоны», среди них и фотоны, рассматриваются как частицы не имеющие массы покоя. Попросту говоря с нулевой массой, ведь на сколько нуль не умножай – нулем и останется, а значит и парадокса не произойдет. Ура!
Для частиц с досветовыми скоростями тоже нашли парочку замысловатых слов «тардио́ны» или «брадио́ны», и им даже разрешили иметь массу покоя, т.к. они световых скоростей не достигают, а значит правильных теорий не нарушают…
Но физики — ребята творческие, и стоит им что-то незыблемое постановить, как тут же возникает соблазн это опровергнуть. Что в принципе и понятно, потому что любая теория это вовсе не абсолютный закон, а лишь предположение, дополненное расчетами, и в различной степени подтверждаемое или опровергаемое опытным путем.
Однако, по каким то загадочным причинам, принято крайне щепетильно считаться с Теорией Относительности. И зачем то выверять соответствуют ли ей новые теории или данные полученные экспериментально… Не смотря на то, что это тоже всего лишь теория.
Поэтому когда в 1967 американский физик Джеральд Фейнберг рискнул удивить мир новой, сверхсветовой частицей, то он не стал лезть на рожон, и сразу математически доказал, что существование её вовсе не противоречит ТО!
И все остались довольны.
Назвал он этот класс частиц «тахионами».
Их скорость всегда быстрее света, но для этого им приходится иметь некую «мнимую» массу (что это значит, а главное – кто её «мнит», наверно, не скажет даже физик), и свойство терять скорость при поглощении энергии, тогда как все «нормальные» частицы ускоряются.
Все это конечно плачевно сказалось на тахионах, т.к. пришлось признать что их время течет вспять, и то что тахионы не могут доносить информацию, т.к. это к примеру, нарушило бы принцип причинности, и вообще не могут как либо взаимодействовать с частицами нашего мира, т.к. их скорость выше скорости взаимодействия в нашей вселенной. Они просто выпадают из нашей пространственно-временной и причинно-следственной структуры!
По этой причине, обнаружение и фиксация таких частиц представляются скорее всего невозможными… Пока не найдется новый сообразительный физик, конечно!
masterok
Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой, Альберт Эйнштейн 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.
Телепортация 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
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, теория относительности 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.
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 общую теорию относительности. 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.
Фотоны – частицы безмассовые, как и нейтрино 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 = mc2, 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.
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.
Значение слова «тахион»
Тахионы способны излучаться, поглощаться и переносить энергию.
Гипотетические поля, соответствующие описанной частице, называются тахионными полями. Обычно в качестве таковых рассматриваются поля, подчиняющиеся уравнению Клейна — Гордона (или Дирака, Янга — Миллса и т. п.) с противоположным знаком у массового члена (то есть с отрицательным квадратом массы; иногда, как в случае уравнения Дирака, где параметр массы входит в первой степени, его приходится делать мнимым — или матричным и т. п. — явно). Интересно заметить, что подобные поля достаточно легко реализуются в том числе в простых механических моделях, а также могут встречаться при описании неустойчивых сред в физике твердого тела.
Если тахионы вообще существуют, то могут существовать различные их типы, различающиеся массами и другими свойствами. При научном употреблении термина под тахионами (или тахионными полями) подразумеваются в принципе лоренц-инвариантные объекты, то есть объекты, не нарушающие принцип относительности.
тахио́н
1. физ. гипотетическая частица, движущаяся со скоростью, превышающей скорость света в вакууме ◆ Все эти свойства тахионов венчает их способность перемещаться «из будущего в прошлое»: наблюдатель, движущийся со скоростью в 90% от скорости света, увидит, что тахион, вылетевший из А в Б со скоростью в две световые, сначала появится в Б, а потом вылетит из А; наблюдатель, движущийся со скоростью в 50% от скорости света, увидит, что такой тахион появляется в А и Б одновременно. Рафаил Нудельман, «Путешествия в прошлое запрещены», 2011 г. // «Знание — сила» (цитата из НКРЯ) ◆ Ведь даже нейтрино ― это ещё наполовину загадка, а тахионы, частицы, летящие быстрее света, ― это и вовсе фантастика… Иван Папанов, «Звёздные этюды», 1977 г. // «Техника — молодёжи» (цитата из НКРЯ)
Делаем Карту слов лучше вместе
Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!
Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.
Насколько понятно значение слова обналичка (существительное):
Тахион. С обратной стороны реальности
Тахион — это такая гипотетическая частица, которая, в теории, движется быстрее скорости света. И, следовательно, путешествующая назад во времени. Существование тахионов допускается уравнениями специальной теории относительности Эйнштейна. Однако, несмотря на все поиски, никаких тахионов ученым обнаружить до сих пор не удалось.
Странный тахион
Любые другие элементарные частицы, которые двигаются медленнее, чем свет, называются тардионами (или брадионами). К ним относятся любые обыкновенные известные частицы с ненулевой массой покоя. Частицы с нулевой массой покоя, фотоны, называют люксонами. Они двигаются точно со скоростью света.
Тахион был впервые предложен в качестве одной из элементарных частиц с весьма странными свойствами физиком Арнольдом Зоммерфельдом. А свое название он получил в 1967 году от Джеральда Фейнберга. Связано оно с греческим словом tachys, что означает «быстрый».
Существование тахионов, как уже писалось выше, вполне допускается математикой специальной теории относительности, одним из основных уравнений которой является следующее:
где E — масса-энергия частицы, m — масса покоя, v — скорость, а — скорость света. Из этого уравнения следует, что для тардионов (частиц обычного вещества) E увеличивается с увеличением v и становится бесконечным, когда v = c. Таким образом предотвращается ускорение частицы, которая изначально медленнее света, до скорости света и выше.
За барьер нельзя
А вот как быть с частицами, для которых v всегда больше c? В этом случае v 2 / c 2 > 1, так что знаменатель в приведенном выше уравнении является мнимым числом — квадратным корнем из отрицательного действительного числа. Если m имеет действительное значение, E является мнимым, что физикам трудно проглотить, потому что E является измеримой величиной. Однако, если m принимает мнимое значение, тогда (поскольку одно мнимое число, деленное на другое, является действительным), E действительно. Следовательно, тахионы разрешены при следующих условиях:
а) они никогда не пересекают световой барьер;
б) они имеют воображаемую массу покоя (что физически более приемлемо, поскольку массу покоя никогда не останавливающегося объекта нельзя измерить напрямую).
Как бы это странно не звучало, тахионы замедлялись бы, если бы набирали энергию. И ускорялись бы, если бы ее теряли. Это приводит к проблеме. Потому что в случае заряженных тахионов которые движутся быстрее скорости света в окружающей среде, они будут постоянно терять энергию даже в вакууме из-за черенковского излучения. Это заставило бы их набирать скорость и терять энергию с еще большей скоростью. Это приводило бы к еще большему ускорению. И так далее. В конечном итоге это привело бы к неуправляемой реакции с высвобождением невероятно большого количества энергии.
Парадокс времени
Что еще более тревожно, так это то, что тахион, как кажется, будет вызывать парадокс времени. Из-за своей способности переносить информацию в прошлое. Предположим, что некая Маша Воробьева, находящаяся на Земле и некто Петя Самосвалов, находящийся на планете, вращающейся вокруг Сириуса, решили пообщаться через Ватсап, использующий так называемый тахионный интернет. Они заранее договариваются, что, когда Петя получит сообщение от Маши, он немедленно ей ответит. Маша обещает отправить сообщение Пете ровно в полдень, если только если не получит сообщение от Пети к 10 часам утра.
Загвоздка состоит в том, что оба сообщения, будучи сверхсветовыми, отправляются в прошлое. Если Маша отправит свое сообщение в полдень, ответ Пети никак не может быть получен ей до 10 часов утра. То есть возникнет парадокс причинности.
Несмотря на многочисленные поиски, тахион сих пор не обнаружен. То же самое верно и в отношении другой гипотетической частицы, превышающей скорость света, называемой диббук (на иврите «блуждающий дух»). Считается, что она могла бы иметь отрицательную массу, энергию и импульс. Диббуки, предложенные Раймондом Фоксом из Израильского технологического института, очень странны. И, что интересно, тоже не избегают проблемы причинности, которую демонстрирует тахион.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.