Στο Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής και στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Einstein, η ταχύτητα του φωτός στο κενό (c) λειτουργεί ως απόλυτο κοσμικό όριο ταχύτητας. Ωστόσο, το μαθηματικό πλαίσιο της σχετικότητας δεν απαγορεύει ρητά την ύπαρξη σωματιδίων που ταξιδεύουν πάντα ταχύτερα από το φως. Αυτές οι υποθετικές οντότητες είναι γνωστές ως ταχυόνια.
1. Ιστορική καταγωγή
Η σύγχρονη τυποποίηση της έννοιας του ταχυονίου αποδίδεται στον φυσικό Gerald Feinberg, ο οποίος επινόησε τον όρο στο ιστορικό του άρθρο του 1967 στο Physical Review. Το όνομα προέρχεται από την ελληνική λέξη ταχύς. Την ίδια εποχή, οι E.C.G. Sudarshan, O.M.P. Bilaniuk και V.K. Deshpande ταξινόμησαν την ύλη σε τρεις κατηγορίες: βραδυόνια (v < c), λουξόνια (v = c) και ταχυόνια (v > c).
2. Κινηματική φανταστικής μάζας
Η σχετικιστική εξίσωση ενέργειας-ορμής: E² = (pc)² + (m₀c²)². Όταν v > c, η έκφραση (1 - v²/c²) γίνεται αρνητική. Για να παραμείνει η ενέργεια πραγματική, η μάζα ηρεμίας πρέπει να είναι φανταστική: m₀ = iμ.
Αντεστραμμένη σχέση ενέργειας-ταχύτητας
Για τη συνηθισμένη ύλη, η προσθήκη ενέργειας αυξάνει την ταχύτητα. Για τα ταχυόνια, η σχέση αντιστρέφεται: η απώλεια ενέργειας αυξάνει την ταχύτητα. Καθώς η ενέργεια πλησιάζει το μηδέν, η ταχύτητα πλησιάζει το άπειρο. Η ταχύτητα του φωτός αποτελεί αδιαπέραστο δάπεδο για τα ταχυόνια.
3. Κβαντική θεωρία πεδίου και θεωρία χορδών
Στην κβαντική θεωρία πεδίου, το ταχυόνιο κατανοείται ως ένδειξη αστάθειας στο σύστημα, που επιλύεται μέσω συμπύκνωσης ταχυονίων. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι το πεδίο Higgs. Στη βοσονική θεωρία χορδών, η θεμελιώδης κατάσταση είναι ταχυόνιο, πρόβλημα που λύθηκε με την υπερσυμμετρία.
4. Πειραματικές αναζητήσεις
Οι φυσικοί αναζητούν ταχυόνια εδώ και δεκαετίες χρησιμοποιώντας ανιχνευτές κοσμικών ακτίνων και επιταχυντές σωματιδίων. Το 2011 το πείραμα OPERA ανέφερε ότι νετρίνα μιονίων ταξίδεψαν ταχύτερα από το φως. Η ανωμαλία αποδόθηκε σε σφάλμα μέτρησης (χαλαρό καλώδιο οπτικών ινών).
Συμπέρασμα
Τα ταχυόνια παραμένουν ένα κομψό μαθηματικό εργαλείο. Αν και δεν ανιχνεύτηκαν ποτέ ως φυσικά σωματίδια, τα μαθηματικά της φανταστικής μάζας και των ταχυονικών πεδίων βρίσκονται στο επίκεντρο της σύγχρονης κβαντικής θεωρίας πεδίου και του μηχανισμού Higgs.