En el modelo estandar de la fisica de particulas y en la teoria de la relatividad especial de Albert Einstein, la velocidad de la luz en el vacio ($c$) funciona como un limite de velocidad cosmico absoluto para todas las formas conocidas de materia e informacion. Sin embargo, el marco matematico de la relatividad no prohibe explicitamente la existencia de particulas que siempre viajan mas rapido que la luz. Estas entidades hipoteticas se conocen como taquiones.
1. El origen historico de los taquiones
La base conceptual de las particulas superluminicas se remonta a principios del siglo XX. Ya en 1917, el fisico Richard Tolman reconocio que los viajes superluminicos dentro del marco de la relatividad especial conducirian a violaciones de la causalidad, articuladas de manera celebre a traves de la paradoja del "antitelefono taquionico".
Sin embargo, la formalizacion moderna del concepto de taquion se atribuye principalmente al fisico Gerald Feinberg, quien acuno el termino en su articulo seminal de 1967 publicado en la Physical Review, titulado "Possibility of Faster-Than-Light Particles". El nombre proviene de la palabra griega tachys (takhys), que significa "veloz". Feinberg postulo que los taquiones podrian existir como cuantos de un campo cuantico con masa imaginaria. Aproximadamente al mismo tiempo, los fisicos E.C.G. Sudarshan, O.M.P. Bilaniuk y V.K. Deshpande desarrollaron independientemente un marco cinematico riguroso para las particulas superluminicas, clasificando toda la materia en tres categorias distintas segun su relacion con la velocidad de la luz:
- Bradiones (o tardiones): Particulas con masa en reposo real que siempre viajan mas lento que $c$ (por ejemplo, protones, electrones).
- Luxones: Particulas sin masa que viajan exactamente a $c$ (por ejemplo, fotones, gluones).
- Taquiones: Particulas hipoteticas con masa en reposo imaginaria que siempre viajan mas rapido que $c$.
2. La cinematica de la masa imaginaria
Para comprender los taquiones, debemos examinar la ecuacion relativista de energia-momento:
Para una particula que viaja mas rapido que la luz, su momento ($p$) y su energia ($E$) deben permanecer matematicamente reales para que la particula sea fisicamente observable. Segun las ecuaciones de la transformacion de Lorentz, la energia relativista de una particula esta dada por $E = m₀c² / √(1 - v²/c²)$.
Si la velocidad ($v$) es mayor que $c$, el termino bajo la raiz cuadrada ($1 - v²/c²$) se vuelve negativo, resultando en un denominador imaginario. Para que la energia total ($E$) permanezca como un numero real, la masa en reposo ($m₀$) tambien debe ser un numero imaginario. Cuando un numero imaginario se divide por un numero imaginario, el resultado es real. Asi, los taquiones se definen matematicamente por poseer una masa en reposo imaginaria (un multiplo de la raiz cuadrada de -1, o $i$).
La relacion invertida entre energia y velocidad
Una de las propiedades mas contraintuitivas de los taquiones es como responden a los cambios de energia. Para la materia ordinaria (bradiones), agregar energia aumenta la velocidad, acercandola a la velocidad de la luz. Para los taquiones, la relacion es inversa: perder energia aumenta su velocidad. A medida que la energia de un taquion se acerca a cero, su velocidad se acerca al infinito. A la inversa, a medida que su energia se acerca al infinito, su velocidad se reduce, aproximandose a $c$ desde arriba. Por lo tanto, la velocidad de la luz actua como un piso infranqueable para los taquiones, al igual que actua como un techo infranqueable para la materia ordinaria.
3. Taquiones en la teoria cuantica de campos y la teoria de cuerdas
Aunque nunca se han observado particulas taquionicas aisladas, los campos taquionicos son un concepto critico en la fisica teorica moderna, particularmente en la teoria cuantica de campos (TCC) y la teoria de cuerdas.
En la TCC, un taquion no se entiende necesariamente como una particula que viaja mas rapido que la luz, sino como una indicacion de una inestabilidad en el sistema. Un campo con masa imaginaria (un campo taquionico) representa una configuracion situada en el maximo local de su energia potencial, como una bola equilibrada precariamente en la cima de una colina.
Esta inestabilidad se resuelve mediante un proceso conocido como condensacion taquionica. El campo "rueda colina abajo" para alcanzar un minimo estable, adquiriendo un valor de expectacion del vacio distinto de cero. El ejemplo mas famoso de este mecanismo es el campo de Higgs. Antes de la ruptura espontanea de simetria en el universo temprano, el campo de Higgs era tecnicamente taquionico (con un termino de masa al cuadrado negativo). A medida que el universo se enfrio, el campo experimento condensacion taquionica, rompiendo la simetria electrodebil y otorgando masa a las particulas fundamentales.
En la teoria de cuerdas bosonicas, la version fundamental de la teoria de cuerdas, el estado de menor energia (el estado fundamental) de la cuerda es un taquion. Este "problema del taquion" indicaba que la teoria de cuerdas bosonicas era inestable. El problema fue resuelto posteriormente con la introduccion de la supersimetria, que llevo a la teoria de supercuerdas, que elimina naturalmente el estado fundamental taquionico.
4. Busquedas experimentales y la anomalia OPERA
Durante decadas, los fisicos experimentales han realizado busquedas rigurosas de particulas taquionicas utilizando detectores de rayos cosmicos y aceleradores de particulas. Si existieran taquiones cargados, teoricamente emitirian radiacion Cherenkov incluso en el vacio perfecto, ya que estarian viajando mas rapido que la velocidad local de la luz (que en el vacio es $c$). Esta perdida continua de energia los haria acelerar hacia velocidad infinita. Nunca se ha detectado tal radiacion Cherenkov en el vacio.
La interseccion mas famosa entre la fisica experimental y los taquiones ocurrio en 2011 con la anomalia de neutrinos OPERA. La colaboracion OPERA en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso en Italia informo que los neutrinos muonicos disparados desde la instalacion del CERN en Suiza habian llegado 60 nanosegundos antes de lo que la luz habria tardado en recorrer la misma distancia. Durante un breve periodo, la comunidad fisica considero la posibilidad de que los neutrinos pudieran ser taquionicos.
Sin embargo, investigaciones posteriores revelaron que la anomalia era el resultado de errores experimentales de medicion, especificamente un cable de fibra optica suelto que conectaba un receptor GPS a una tarjeta electronica, y un oscilador de reloj que marcaba ligeramente demasiado rapido. Una vez corregido, se confirmo que las velocidades de los neutrinos eran consistentes con la velocidad de la luz, y la hipotesis taquionica fue descartada.
5. La paradoja de la causalidad: el antitelefono taquionico
La principal objecion teorica a la existencia de taquiones fisicos es la violacion de la causalidad. En la relatividad especial, la secuencia de eventos depende del marco de referencia del observador. Si los taquiones pueden transmitir informacion mas rapido que la luz, es posible construir marcos de referencia donde una senal se recibe antes de ser enviada.
Esto se ilustra mediante la paradoja del antitelefono taquionico. Si Alice y Bob se alejan el uno del otro a velocidades relativistas, Alice podria usar un transmisor de taquiones para enviar un mensaje a Bob. Bob, al recibirlo, responde inmediatamente con su propio transmisor de taquiones. Debido a la relatividad de la simultaneidad, las matematicas dictan que Alice recibiria la respuesta de Bob antes de haber enviado su mensaje original. Esto crea un bucle causal fatal: que pasaria si el mensaje original de Alice fuera una instruccion para que Bob no respondiera?
Para resolver esto, los fisicos recurren a principios como la conjetura de proteccion cronologica de Stephen Hawking o la idea de que, incluso si existen campos taquionicos (como en el mecanismo de Higgs), estos no pueden usarse para transmitir informacion o energia localizada mas rapido que $c$.
Conclusion
Los taquiones siguen siendo una elegante curiosidad matematica y una herramienta teorica vital. Aunque nunca se han detectado particulas fisicas surcando el espacio mas rapido que la luz, y semejante descubrimiento causaria estragos en la causalidad, las matematicas subyacentes de la masa imaginaria y los campos taquionicos (condensacion taquionica) son absolutamente centrales para nuestra comprension moderna de la teoria cuantica de campos y el origen de la masa en el universo.