تاكيون

التكيون أو الجسيم التكويوني هو جسيم افتراضي يتحرك دائماً بسرعة تفوق سرعة الضوء، وتأتي تسميته بهذا الاسم من الكلمة الإغريقية "ταχύς" أو «تاكيس» ويعني صغيرٌ وسريع جداً، وكان أول من صاغ الاسم غيرالد فاينبرغ في ورقة بحثية قدمها عام 1967،‏[1] افترض فيها فاينبيرغ أن الجسيم التكيوني قد يكون كمات في مجال كمي ذات مربع كتلة سالبة. ثم أدرِك أن إثارة مجالات الكتلة الافتراضية تلك، لا ينتج في الواقع جسيمات أسرع من الضوء[2] وإنما تشكل حالة من عدم الاستقرار تدعى «تكاثف التكيونات»[3]، وعلى الرغم من ذلك، ما زالت تلك المجالات تدعى بالتكيونات[4]، والتي لعبت دوراً هاماً في الفيزياء الحديثة.

 تاكيون
نظراً لأن التكيون يتحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء فإننا لن نستطيع رؤيته أثناء اقترابه منا. بعد أن يمر التكيون بالقرب منا، فسوف نكون قادرين على رؤية صورتين له، واحدة تأتي والأخرى تذهب باتجاهين متعاكسين. يمثل الخط الأسود موجة صدمة شعاع شيرينكوف، مرئية للحظة واحدة فقط. تبدو ظاهرة هذه الصورة المضاعفة مرئية أكثر بالنسبة لمراقب يقع مباشرة على مسار الجسيم (في هذا المثال، كرة ممثلة باللون الرمادي). الشكل الأزرق على يمين الصورة هو الصورة المتكونة بتأثير الانزياح نحو الأزرق للضوء أثناء وصوله إلى عين المراقب الواقع على قمة خطوط شعاع شيرينكوف السوداء، وأما الصورة على اليسار ذات اللون الأحمر فهي تمثل الانزياح نحو الأحمر للضوء أثناء مغادرته الكرة بعد عبورها بعيداً عن المراقب.

يظن أغلب العلماء أن الجسيمات الأسرع من الضوء لا يمكن أن توجد في الطبيعة، لأن ذلك لا يتوافق مع قوانين الفيزياء[3][5]، وإن تواجدت فقد تُستخدم لبناء جهاز تشويش تاكيوني، وإرسال إشارات أسرع من الضوء، والتي بحسب نظرية النسبية الخاصة سوف تؤدي إلى خرق الطبيعة.[5] وبالمقابل فإن بعض النظريات المنسجمة مع الطاقة الكامنة للجسيمات ما فوق الضوئية لا ترى في هذه الجسيمات ما يخرق الطبيعة، على عكس نظرية ثابت لورنز المماثلة لنظرية النسبية الخاصة، ولذلك فإن سرعة الضوء ليست عائقاً أمام وجود هذه الجسيمات بالضرورة.

على الرغم من المجادلات النظرية المعارضة لوجود الجسيمات ما فوق الضوئية، لم تجرَ التجارب العلمية حتى الآن للتأكد من وجود التكيونات، كما لا يوجد أي برهان قاطع على وجودها.[6]

تاريخ التكيونات

كما ذُكر سابقاً، كان مخترع المصطلح «تكيون» العالم غيرالد فايبيرغ عام 1967 بورقةٍ بعنوان «احتمالية وجود جسيمات أسرع من الضوء».[1] درس فاينبيرغ حركية تلك الجسيمات حسب نظرية النسبية الخاصة، كما عرَّف بورقته الحقول ذات الكتلة التخيلية (تدعى حالياً حقول التكيونات أو التكيونات أيضاً) في محاولة لفهم أصل فيزياء الجسيمات. فيما تعزى الفرضية الأولى المتعلقة بالجسيمات فوق الضوئية إلى العالم الألماني أرنولد سومغفيلد في 1904.[7]

التكيونات في النظرية النسبية

في نظرية النسبية الخاصة، يجب أن تكون للجسيمات ما فوق الضوئية «طبيعة شبه فضائية وقوة رباعية»[1] مقارنة مع الجسيمات العادية التي تحمل طبيعة «شبيهة بالضوء وقوة رباعية»، كما يجب أن تكون لها كتلة تخيلية حسب الجزء شبه الفضائي لمخطط القوة الطاقية، لن تستطيع التخفيف من سرعتها للسرعات العادية.[1]

الكتلة

في نظرية لورنز إنفارينس تُطبَّق نفس العلاقات على الجسيمات الأبطأ من الضوء (والتي تدعى بروديونات في النقاشات المتعلقة بالتكيونات) على التكيونات ذاتها، وخاصة علاقة القوة الطاقية:

حيث أن P هي القوة النسبية للبراديون، m هي الكتلة المتبقية، يجب أن تُطبق بعدها علاقة الطاقة الكلية للجزيء:

تظهر العلاقة أن الطاقة الكتلية للجسيم سواء أكان براديون أو تكيون تحتوي على جزء من كتلته المتبقية (الكتلة الطاقية المتبقية) وجزء من حركته. عندما يكون v أكبر من c (سرعة الضوء) فإن الطاقة الحركية ستكون رقم عقدي، والقيمة الأساسية ستكون سالبة لأن الطاقة الكلية يجب أن تكون رقماً حقيقياً، والكتلة المتبقية m يجب أن تكون عقدية لأن تقسيم رقم عقدي صافي (يحتوي على رقم تخيلي فقط) على رقم عقدي صافي آخر هو رقم حقيقي.

السرعة

ليس كباقي الجسيمات، سرعة التكيونات تزداد بنقصان طاقتها، عندما E تقترب من الصفر حيث v تقترب من اللانهاية، في حين أن طاقة البراديونات، E تزداد بازدياد السرعة وتصبح أكبر بصورة تعسفية حين تقترب v من سرعة الضوء c، لذلك لاتستطيع البراديونات أن تخرق عتبة سرعة الضوء لأنه يستوجب اكتسابها طاقة لا نهائية للوصول لعتبة سرعة الضوء وكذلك لا تستطيع التكوينات أن تقل سرعتها عن سرعة الضوء لأن ذلك يستوجبها طاقة لا نهائية.

و قد ذكر آينشتاين وتولمان وغيرهم أن نظرية النسبية الخاصة تُوحي بأن الجسيمات الأسرع من الضوء إذا ثبت وجودها فقد تستخدم للتواصل مع الماضي.[8]

النترونات

في 1985، اقترح كودوس إت آل أن النترونات قد تملك طبيعة تكيونية[9] وإن إمكانية حركة الجسيمات العادية بسرعة ما فوق ضوئية قد تجسد شروط خرق نظرية لورنز إنفاريس، على سبيل المثال في نموذج التمدد القياسي [10][11][12] في هذا الإطار تخضع النترونات لـتأثير انهيار لورنز لذبذبة النترونات لتستطيع السير بشكل أكبر من سرعة الضوء عندما تمتلك طاقة هائلة، على أية حال هذا الاقتراح وجد نقداً كثيراً.[13]

إشعاعات شيرنكوف

يَخسر التكيون ذو الشحنة الكهربائية طاقته[14] تماماً كما تخسر الجسيمات العادية المشحونة طاقتها عندما تتجاوز سرعتها السرعة المحلية لسرعة الضوء بشكل متوسط، يسير التكيون المشحون في الفضاء ويخضع لفترة تسارع محددة ومستمرة ويشكل مساره قطعا زائدا في الفضاء على أية حال كما وجدنا أن تخفيض طاقة التكيون تزيد من سرعته ولذلك القطع الزائد المنفرد المشكل هو تكيونان مشحونان بشحنة متعاكسة وقوى متعاكسة (نفس الحجم ولكن إشارة معاكسة) مما يؤدي إلى إبادة كل منهما عندما يصلان إلى السرعة اللانهائية بنفس اللحظة ونفس المكان في الفضاء، ونفس القيمة عندها كلا التكيونان لن يمتلكا طاقة وقوة لانهائية وبجهتين متعاكستين ولذا لا تخترق أي قانون احتفاظ بإبادتهما بنفس الوقت. حتى التكيون غير المشحون يُتَوقع أن يخسر طاقته بتجاذبات إشعاعات شيرينكوف بداخل هذه الجسيمات. تتفاعل النترونات مع الجسيمات الأخرى بشكل عادي كما استخدم أندريو كوهين وشيلدون كلاشو هذا الموضوع للنقاش حول أن النيترون لا يمكن أن يُشرَح بجعل النيترونات تنتشر بسرعة تفوق سرعة الضوء وإنما يجب أن يكون السبب هو عبارة عن خطأ في التجربة.[15]

السببية

السببية هي المبدأ الأساسي في الفيزياء، إذا كانت التكيونات قادرة على إرسال المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء فحسب نظرية النسبية الخاصة فإن التكيونات ستخترق السبب مؤدية إلى تناقض «قتل الجد» المنطقي. المشكلة قد تفهم بشروط علاقة نفس الوقت في نظرية النسبية الخاصة والتي تقول «إن اللحظات المرجعية الخاملة المختلفة سوف تتعارض في ترتيب الحدثان» أي أنه لايوجد ثمة حدث في ضوء مخروط مستقبل الآخر.[16] إذا كان أحد الحدثين يمثل إرسال إشارة من مكان ما، والحدث الثاني يمثل استقبال تلك الإشارات في مكان مختلف، طالما أن الإشارة تتحرك بسرعة الضوء وأقل فإن رياضيات الوقت تؤكد أن كل اللحظات المرجعية توافق أن حدث الإرسال قد حدث قبل الاستقبال[16] أما بافتراض إشارة تتحرك بسرعة ما فوق ضوئية سيوجد دائما بعض اللحظات التي تم استقبال الإشارة فيها قبل إرسالها لذا فإن هذه الإشارات تسافر إلى الماضي لأن أحد الفرضيات الأساسية لنظرية النسبية الخاصة تقول: «إن قوانين الفيزياء يجب أن تعمل بنفس الطريقة بكل لحظة وإذا كان من الممكن للإشارات ان تسافر للماضي في لحظة ما يجب أن يكون ذلك ممكنا في كل اللحظات»، أي إذا كان المراقب أ يرسل إشارة للمراقب ب والتي تسير بسرعة فوق ضوئية ستصل إلى المراقب ب في لحظة سابقة في الزمن والمراقب ب يرسل إشارة أخرى كـ «رد» أيضا تتحرك بسرعة فوق ضوئية ستصل إلى المراقب أ في لحظة أسبق من الزمن أيضا، أي أن المراقب أ سيستقبل الرد قبل إرسال الإشارة الأصلية. تحدي السببية في كل لحظة وفتح باب التناقضات الصعبة.[17] وجد تفاصيل رياضية في موضوع التشويش التكيوني وصورة إيضاحية لمثل هذا الصدد.[18]

النماذج الأساسية

في الفيزياء الحديثة، كل الجسيمات الأساسية تعتبر متيرة للحقول الكمية. هناك العديد من الطرق المتميزة التي تمكن الجسيمات التكيونية من الترسخ في نظرية الحقل.

مجالات ذات كتلة تخيلية

في ورقة غيرالد فاينبيرغ، درس فاينبيرغ الحقول الكمية لـ لورنز إنفارينت بكتلة تخيلية.[1] لأن مجموعة السرعة لمثل هذا الحقل تكون فوق ضوئية، تظهر أن إثاراتها تنتشر بسرعة فوق ضوئية، كما فُهم أن مجموعة السرعة فوق الضوئية لا تناظر سرعة انتشار أي اثارة محلية (كالجسيم). وإنما الكتلة السلبية تمثل حالة عدم استقرار لتكاثف التكيون، وكل إثارات الحقل المنتشرة بسرعة دون ضوئية متلائمة مع السببية.[2] على الرغم من عدم امتلاك انتشارات فوق ضوئية كالحقول التي تدعى بـ «التكيونات» في العديد من المصادر.[3][4][19][20][21][22]

الحقول التكيونية تلعب دورا هاما في الفيزياء الحديثة، لربما يكون الأشهر هيغس بوزون لـ النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات التي ليس لها كتلة تخيلية. بشكل عام ظاهرة «خرق التماثل الغير منتطم» والمتعلق بشكل كبير بـ «تكاثف التكيونات» تلعب دورا هاما جدا بالعديد من نواحي الفيزياء النظرية. بما فيه نظريتا «غينتسبيرغ لانداو» و«بي سي اس». مثال إخر عن المجال التكيوني نظرية الوتر البوزوني.[19][21][23]

النظريات الخارقة لـ لورنز

في النظريات التي لا تحترم نظرية «لورنز انفارينس» بأن سرعة الضوء ليست بالضرورة عائقاً والجسيمات قد تسير بسرعة فوق ضوئية بدون الحاجة للطاقة اللانهائية أو تناقضات السببية.[24] فئة من نظريات الحقل من ذلك النوع تدعى «الإضافات النموذجية القياسية»، وإثبات تجربة لورنز إنفارينس جيدة بشكل فائق.[25][26]

وصلات خارجية

المراجع
  1. Feinberg, G. (1967)، "Possibility of Faster-Than-Light Particles"، فيزيكال ريفيو، 159 (5): 1089–1105، Bibcode:1967PhRv..159.1089F، doi:10.1103/PhysRev.159.1089، مؤرشف من الأصل في 8 فبراير 2016، اطلع عليه بتاريخ 12 سبتمبر 2020.See also Feinberg's later paper: Phys. Rev. D 17, 1651 (1978)
  2. Aharonov, Y.؛ Komar, A.؛ Susskind, L. (1969)، "Superluminal Behavior, Causality, and Instability"، Phys. Rev.، American Physical Society، 182 ({5}, ): 1400–1403، Bibcode:1969PhRv..182.1400A، doi:10.1103/PhysRev.182.1400.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة CS1: extra punctuation (link)
  3. Lisa Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions, p.286: "People initially thought of tachyons as particles travelling faster than the speed of light...But we now know that a tachyon indicates an instability in a theory that contains it. Regrettably for science fiction fans, tachyons are not real physical particles that appear in nature."
  4. A. Sen, "Rolling tachyon," JHEP 0204, 048 (2002). Cited 720 times as of 2/2012. نسخة محفوظة 11 سبتمبر 2018 على موقع واي باك مشين.
  5. Tipler, Ralph A.؛ Llewellyn (2008)، Modern Physics (ط. 5th)، New York, NY: W.H. Freeman & Co.، ص. 54، ISBN 978-0-7167-7550-8، ... so existence of particles v> c ... Called tachyons ... would present relativity with serious ... problems of infinite creation energies and causality paradoxes.
  6. Feinberg, G. (1997)، "Tachyon"، Encyclopedia Americana، Grolier، ج. 26، ص. 210.
  7. Sommerfeld, A. (1904)، "Simplified deduction of the field and the forces of an electron moving in any given way"، Knkl. Acad. Wetensch، 7: 345–367.
  8. Benford, G.؛ Book, D.؛ Newcomb, W. (1970)، "The Tachyonic Antitelephone"، فيزيكال ريفيو، 2 (2): 263، Bibcode:1970PhRvD...2..263B، doi:10.1103/PhysRevD.2.263.
  9. Chodos, A. (1985)، "The Neutrino as a Tachyon"، Physics Letters B، 150 (6): 431، Bibcode:1985PhLB..150..431C، doi:10.1016/0370-2693(85)90460-5.
  10. Colladay, D.؛ Kostelecky, V. A. (1997)، "CPT Violation and the Standard Model"، فيزيكال ريفيو، 55 (11): 6760–6774، arXiv:hep-ph/9703464، Bibcode:1997PhRvD..55.6760C، doi:10.1103/PhysRevD.55.6760.
  11. Colladay, D.؛ Kostelecky, V. A. (1998)، "Lorentz-Violating Extension of the Standard Model"، فيزيكال ريفيو، 58 (11): 116002، arXiv:hep-ph/9809521، Bibcode:1998PhRvD..58k6002C، doi:10.1103/PhysRevD.58.116002.
  12. Kostelecky, V. A. (2004)، "Gravity, Lorentz Violation, and the Standard Model"، فيزيكال ريفيو، 69 (10): 105009، arXiv:hep-th/0312310، Bibcode:2004PhRvD..69j5009K، doi:10.1103/PhysRevD.69.105009.
  13. R. J. Hughes and G. J. Stephenson Jr., Against tachyonic neutrinos, Phys. Lett. B 244, 95–100 (1990).
  14. Bock, R. K. (09 أبريل 1998)، "Cherenkov Radiation"، The Particle Detector BriefBook، سيرن، مؤرشف من الأصل في 18 ديسمبر 2007، اطلع عليه بتاريخ 23 سبتمبر 2011.
  15. Cohen, Andrew G. and Glashow, Sheldon L. ("2011",)، "Pair Creation Constrains Superluminal Neutrino Propagation"، Phys.Rev.Lett.، "107", : "181803", ، arXiv:"1109.6562", "1109.6562",، doi:10.1103/PhysRevLett.107.181803,. {{استشهاد بدورية محكمة}}: تحقق من التاريخ في: |سنة= (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |archiveprefix= تم تجاهله (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |primaryclass= تم تجاهله (مساعدة)، تأكد من صحة قيمة |arxiv= (مساعدة)، تأكد من صحة قيمة |doi= (مساعدة)صيانة CS1: extra punctuation (link) صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
  16. Mark, J.، "The Special Theory of Relativity" (PDF)، جامعة سينسيناتي، ص. 7–11، مؤرشف من الأصل (PDF) في 13 سبتمبر 2006، اطلع عليه بتاريخ 27 أكتوبر 2006.
  17. Grøn, Ø.؛ Hervik, S. (2007)، Einstein's General Theory of Relativity: With Modern Applications in Cosmology، سبرنجر، ص. 39، ISBN 978-0-387-69199-2، مؤرشف من الأصل في 14 مارس 2020، The tachyon telephone paradox cannot be resolved by means of the reinterpretation principle.
  18. Baker, R. (12 سبتمبر 2003)، "Relativity, FTL and causality"، Sharp Blue، مؤرشف من الأصل في 29 أبريل 2019، اطلع عليه بتاريخ 23 سبتمبر 2011.
  19. Brian Greene, The Elegant Universe, Vintage Books (2000)
  20. Kutasov, David and Marino, Marcos and Moore, Gregory W. (2000)، "Some exact results on tachyon condensation in string field theory"، JHEP، 0010: 045، arXiv:hep-th/0009148. {{استشهاد بدورية محكمة}}: line feed character في |عنوان= في مكان 53 (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |archiveprefix= تم تجاهله (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |primaryclass= تم تجاهله (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |reportnumber= تم تجاهله (مساعدة)صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
  21. NOVA, "The Elegant Universe", PBS television special, http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/ نسخة محفوظة 11 مارس 2021 على موقع واي باك مشين.
  22. G. W. Gibbons, "Cosmological evolution of the rolling tachyon," Phys. Lett. B 537, 1 (2002)
  23. J. Polchinski, String Theory, Cambridge University Press, Cambridge, UK (1998)
  24. Carlos Barceló, Stefano Finazzi, Stefano Liberati, "On the impossibility of superluminal travel: the warp drive lesson", Second prize of the 2009 FQXi essay contest "What is Ultimately Possible in Physics?", p.8: "As a matter of fact, any mechanism for superluminal travel can be easily turned into a time machine and hence lead to the typical causality paradoxes..." نسخة محفوظة 21 يونيو 2017 على موقع واي باك مشين.
  25. Glashow, Sheldon Lee (2004)، "Atmospheric neutrino constraints on Lorentz violation"، arXiv:"hep-ph/0407087" "hep-ph/0407087". {{استشهاد بدورية محكمة}}: Cite journal requires |journal= (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |archiveprefix= تم تجاهله (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |primaryclass= تم تجاهله (مساعدة)، تأكد من صحة قيمة |arxiv= (مساعدة)
  26. Coleman, Sidney R. and Glashow, Sheldon L. (1999)، "High-energy tests of Lorentz invariance"، Phys.Rev.، D59: 116008، arXiv:hep-ph/9812418، Bibcode:1999PhRvD..59k6008C، doi:10.1103/PhysRevD.59.116008.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)

مصادر
    • بوابة الفيزياء
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.