प्रकाश से तेज़ कण

निर्वात में प्रकाश की गति, $c = 299,792,458$ मीटर प्रति सेकंड, भौतिकी में सबसे मूलभूत गति सीमा है। Einstein की विशेष सापेक्षता ने स्थापित किया कि द्रव्यमान वाली कोई भी वस्तु प्रकाश की गति तक त्वरित नहीं की जा सकती। लेकिन सापेक्षता अधिकांश लोगों की सोच से अधिक सूक्ष्म कुछ कहती है: यह स्पष्ट रूप से उन कणों को प्रतिबंधित नहीं करती जो हमेशा सुपरल्यूमिनल थे। ऐसे कणों की खोज एक शताब्दी से अधिक समय से चल रही है।

1. प्रकाश की गति एक बाधा है, दीवार नहीं

विशेष सापेक्षता ब्रह्मांड को तीन कायनेमेटिक क्षेत्रों में विभाजित करती है। सामान्य पदार्थ (ब्रैडियॉन) हमेशा $c$ से नीचे यात्रा करता है। फ़ोटॉन जैसे द्रव्यमानहीन कण (लक्सॉन) हमेशा ठीक $c$ पर यात्रा करते हैं। तीसरा क्षेत्र, जो परिकल्पित सुपरल्यूमिनल कणों (टैकियॉन) द्वारा भरा हुआ है, ऐसी इकाइयों का वर्णन करता है जो हमेशा $c$ से ऊपर यात्रा करती हैं।

महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि यह है कि प्रकाश की गति एक बाधा के रूप में कार्य करती है, दीवार नहीं। ब्रैडियॉन को नीचे से $c$ के माध्यम से नहीं धकेला जा सकता, और टैकियॉन को ऊपर से $c$ के माध्यम से धीमा नहीं किया जा सकता। प्रत्येक वर्ग स्थायी रूप से विभाजन के अपने पक्ष तक सीमित है। विशेष सापेक्षता का गणित प्रत्येक क्षेत्र के भीतर पूरी तरह संगत है। लोरेंत्ज़ रूपांतरण समीकरणों में कुछ भी $v > c$ पर लागू होने पर तार्किक विरोधाभास उत्पन्न नहीं करता, जब तक कि कण कभी $c$ पर या नीचे नहीं था।

2. FTL कणों के लिए ऐतिहासिक प्रस्ताव

कण प्रकाश की गति से अधिक हो सकते हैं, यह विचार Einstein से पहले का है। 1904 में, जर्मन भौतिकविद Arnold Sommerfeld ने प्रकाश से तेज़ गतिमान आवेशित कण के विद्युतचुंबकीय विकिरण पैटर्न का विश्लेषण किया, जिसमें पाया कि यह सुपरसोनिक विमान के ध्वनि बूम के समान विकिरण शंकु उत्पन्न करेगा। सुपरल्यूमिनल आवेशों के लिए यह "चेरेंकोव-जैसा" विकिरण उस समय पूरी तरह सैद्धांतिक अभ्यास था।

आधुनिक सैद्धांतिक नींव 1962 में Syracuse University में Olexa-Myron Bilaniuk, V. K. Deshpande, और E. C. George Sudarshan द्वारा रखी गई। उनके शोधपत्र "Meta Relativity" ने प्रदर्शित किया कि प्रकाश से तेज़ कण विशेष सापेक्षता के अभिगृहीतों के साथ पूरी तरह संगत हैं। उन्होंने दिखाया कि ऐसे कणों में काल्पनिक विराम द्रव्यमान, वास्तविक ऊर्जा और संवेग, और ऊर्जा खोने पर तेज़ होने का विरोधाभासी गुण होगा।

1967 में, Columbia University में Gerald Feinberg ने Physical Review में "Possibility of Faster-Than-Light Particles" प्रकाशित किया, टैकियॉन शब्द गढ़ा। Feinberg अपने पूर्ववर्तियों से आगे बढ़कर टैकियॉन के क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत का निर्माण करने, उनके उत्सर्जन और अवशोषण गुणों का विश्लेषण करने, और प्रायोगिक संकेतों का प्रस्ताव करने गए जिन्हें खोजा जा सकता था। उनका शोधपत्र इस क्षेत्र का मूलभूत संदर्भ बना हुआ है। टैकियॉन भौतिकी के पूर्ण उपचार के लिए, हमारी व्यापक मार्गदर्शिका देखें।

3. टैकियॉन: प्राथमिक FTL उम्मीदवार

टैकियॉन मूलभूत प्रकाश से तेज़ कण के लिए एकमात्र सैद्धांतिक रूप से सुपरिभाषित उम्मीदवार बने हुए हैं। उनके गुण पूरी तरह विशेष सापेक्षता और काल्पनिक द्रव्यमान ($m² < 0$) की धारणा द्वारा निर्धारित हैं:

टैकियॉन की प्रायोगिक खोज इस निर्वात चेरेंकोव विकिरण को खोजने और कण क्षय कायनेमेटिक्स में विसंगतियों पर केंद्रित रही है। कोई सकारात्मक पहचान नहीं की गई है। प्रायोगिक प्रयासों के विवरण के लिए, टैकियॉन पता लगाने के तरीकों पर हमारा पृष्ठ देखें।

4. स्पष्ट FTL घटनाएं जो वास्तव में FTL नहीं हैं

कई सुपरिचित भौतिक घटनाएं प्रकाश से तेज़ प्रसार को शामिल करती प्रतीत होती हैं, लेकिन सावधानीपूर्वक विश्लेषण करने पर, सुपरल्यूमिनल रूप से सूचना संचारित नहीं करतीं। वास्तविक FTL को भ्रम से अलग करने के लिए इन मामलों को समझना आवश्यक है।

कला वेग और समूह वेग

एकवर्णी तरंग का कला वेग (जिस गति से एक शिखर चलता है) कई माध्यमों में $c$ से अधिक हो सकता है। कांच में X-किरण प्रसार में, कला वेग सुपरल्यूमिनल है। इसी तरह, तरंग पैकेट का समूह वेग विसंगत फैलाव के क्षेत्रों में $c$ से अधिक हो सकता है, जैसा कि Princeton में Lijun Wang द्वारा 2000 में प्रदर्शित किया गया, जिन्होंने सीज़ियम गैस के माध्यम से $-c/310$ के समूह वेग पर एक प्रकाश पल्स भेजी (जिसका अर्थ है कि शिखर प्रवेश करने से पहले बाहर निकल गया)। न तो कला वेग और न ही समूह वेग सूचना वहन करता है। तरंगाग्र द्वारा परिभाषित संकेत वेग $c$ पर या उससे नीचे रहता है।

क्वांटम सुरंगन

जब एक कण विभव अवरोध से होकर सुरंग बनाता है, तो पारगमन समय अत्यंत कम हो सकता है, जो एक स्पष्ट सुपरल्यूमिनल पार करने की गति की ओर ले जाता है। Cologne विश्वविद्यालय में Gunter Nimtz ने 1990 के दशक में कटऑफ से नीचे एक माइक्रोवेव वेवगाइड के माध्यम से 4.7 गुना $c$ पर Mozart की 40वीं सिम्फनी प्रसारित करने का दावा किया। हालांकि, सर्वसम्मत दृष्टिकोण यह है कि सुरंगन में वास्तविक प्रकाश से तेज़ संकेत प्रसार के बजाय तरंग पैकेट का पुनर्गठन शामिल है। तरंग पैकेट का अग्र किनारा, जो सूचना वहन करता है, वास्तव में कभी सुपरल्यूमिनल नहीं होता।

विस्तारित ब्रह्मांड

दूर की आकाशगंगाएं स्वयं अंतरिक्ष के विस्तार के कारण $c$ से अधिक गति से हमसे दूर जा रही हैं। Hubble गोले से परे की आकाशगंगाओं में $c$ से अधिक पलायन वेग हैं, और हम उनमें से कुछ को देख सकते हैं क्योंकि उनका प्रकाश तब उत्सर्जित हुआ था जब वे करीब थीं। यह विशेष सापेक्षता का उल्लंघन नहीं है क्योंकि गति सीमा अंतरिक्ष से होकर गतिमान वस्तुओं पर लागू होती है, स्थानिक मेट्रिक के विस्तार पर नहीं। प्रकाश से तेज़ कोई सूचना संचारित नहीं होती।

क्वांटम उलझाव

एक उलझे हुए कण का माप दूरी की परवाह किए बिना तुरंत इसके साथी की अवस्था निर्धारित करता है। Einstein ने इसे "भूतिया दूरी पर क्रिया" कहा। हालांकि, गैर-संचार प्रमेय कठोरता से सिद्ध करती है कि उलझाव का उपयोग सूचना संचारित करने के लिए नहीं किया जा सकता। माप परिणाम प्रत्येक प्रेक्षक को व्यक्तिगत रूप से यादृच्छिक प्रतीत होते हैं; सहसंबंध तभी स्पष्ट होते हैं जब प्रेक्षक एक शास्त्रीय (अधोल्यूमिनल) चैनल के माध्यम से नोट्स की तुलना करते हैं।

5. Scharnhorst प्रभाव

वास्तविक सुपरल्यूमिनल प्रसार की सबसे दिलचस्प सैद्धांतिक भविष्यवाणियों में से एक Klaus Scharnhorst और Gabriel Barton से आती है। 1990 में, उन्होंने गणना की कि दो Casimir प्लेटों (निकट दूरी वाली चालक सतहें जो क्वांटम निर्वात उतार-चढ़ाव को दबाती हैं) के बीच यात्रा करने वाले फ़ोटॉन $c$ से थोड़ा तेज़ यात्रा करेंगे। दबा हुआ निर्वात आभासी इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़ों पर प्रभावी "खिंचाव" को कम करता है जो फ़ोटॉन प्रसार के दौरान क्षणभंगुर रूप से प्रकट होते हैं।

भविष्यवाणित गति वृद्धि असाधारण रूप से छोटी है: एक माइक्रोमीटर की दूरी वाली प्लेटों के लिए लगभग $10^36$ में एक भाग। यह वर्तमान माप क्षमता से बहुत परे है। फिर भी, यह एक ऐसे मामले का प्रतिनिधित्व करता है जहां मानक क्वांटम विद्युतगतिकी स्वयं एक संशोधित निर्वात में फ़ोटॉन के लिए $v > c$ की भविष्यवाणी करती है। विस्तृत उपचार के लिए, कैसिमिर प्रभाव और टैकियोनिक भौतिकी पर हमारा पृष्ठ देखें।

6. OPERA घटना

सितंबर 2011 में, इटली में Gran Sasso National Laboratory में OPERA प्रयोग ने रिपोर्ट किया कि CERN (730 किमी दूर) से भेजे गए म्यूऑन न्यूट्रिनो प्रकाश-गति यात्रा की तुलना में 60.7 नैनोसेकंड पहले पहुंचे। यदि सही होता, तो यह प्रकाश से तेज़ कणों का पहला सीधा अवलोकन होता।

इस घोषणा ने भारी वैज्ञानिक और मीडिया ध्यान आकर्षित किया। हजारों सैद्धांतिक शोधपत्रों ने परिणाम की व्याख्या या समायोजन का प्रयास किया। हालांकि, OPERA सहयोग ने फरवरी 2012 में दो उपकरण समस्याओं की पहचान की: GPS सिंक्रनाइज़ेशन प्रणाली में एक दोषपूर्ण ऑप्टिकल फाइबर कनेक्शन (जिसने न्यूट्रिनो को जल्दी पहुंचने का आभास दिया) और एक ऑसिलेटर क्लॉक जो थोड़ी तेज़ चल रही थी। सुधार के बाद, न्यूट्रिनो यात्रा समय प्रकाश की गति के अनुरूप था।

7. FTL कण कार्यकारणता क्यों तोड़ेंगे

प्रकाश से तेज़ कणों के खिलाफ सबसे गहरी आपत्ति ऊर्जा या संवेग नहीं बल्कि कार्यकारणता है। विशेष सापेक्षता में, यदि एक संकेत एक संदर्भ फ्रेम में प्रकाश से तेज़ यात्रा कर सकता है, तो अन्य संदर्भ फ्रेम मौजूद हैं (एक मानक लोरेंत्ज़ बूस्ट द्वारा संबंधित) जिनमें वह संकेत समय में पीछे यात्रा करता है। यदि सापेक्ष गति में दो प्रेक्षकों के बीच ऐसे दो संकेतों का आदान-प्रदान किया जा सकता है, तो एक बंद कार्यकारण लूप बनता है: प्रेषक अपने ही अतीत में एक संदेश भेज सकता है।

इस निर्माण, जिसे पहले Albert Einstein ने वर्णित किया और बाद में टैकियोनिक एंटीटेलीफ़ोन के रूप में औपचारिक किया गया, वास्तविक समय-यात्रा विरोधाभासों की अनुमति देगा। आप सिद्धांततः अपने आप को संदेश भेज सकते हैं इससे पहले कि आपने इसे भेजने का निर्णय लिया, जो एक तार्किक विरोधाभास बनाता है।

प्रस्तावित समाधानों में पुनर्व्याख्या सिद्धांत (मूल रूप से Bilaniuk, Sudarshan, और Feinberg द्वारा) शामिल है, जो समय में पीछे यात्रा करने वाले ऋणात्मक-ऊर्जा टैकियॉन को विपरीत दिशा में समय में आगे यात्रा करने वाले धनात्मक-ऊर्जा टैकियॉन के रूप में पुनर्व्याख्यायित करता है। यह पूरी तरह विरोधाभास को हल करता है या नहीं, यह बहस का विषय है। कुछ भौतिकविद तर्क देते हैं कि टैकियॉन के एक सुसंगत क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के लिए लोरेंत्ज़-अपरिवर्ती कार्यकारणता के सिद्धांत को पूरी तरह त्यागना होगा।

8. खोज की वर्तमान स्थिति

2020 के दशक के मध्य तक, कोई प्रकाश से तेज़ कण प्रयोगात्मक रूप से नहीं पाया गया है। प्रतिबंध कड़े हैं:

सैद्धांतिक परिदृश्य बदल गया है। अधिकांश भौतिकविद अब टैकियोनिक क्षेत्रों को शाब्दिक प्रकाश से तेज़ कणों के स्रोत के रूप में नहीं बल्कि निर्वात अस्थिरता के संकेत के रूप में देखते हैं जो संघनन द्वारा हल होते हैं। फिर भी, विशेष सापेक्षता का तीसरा कायनेमेटिक क्षेत्र भौतिक रूप से साकार है या नहीं, यह प्रश्न खुला है। सुपरल्यूमिनल कण तार्किक रूप से वर्जित नहीं हैं, और प्रमाण की अनुपस्थिति अनुपस्थिति का प्रमाण नहीं है। खोज सटीक न्यूट्रिनो प्रयोगों, ब्रह्मांडीय किरण वेधशालाओं, और लोरेंत्ज़ अपरिवर्तनीयता उल्लंघन पर सैद्धांतिक कार्य के माध्यम से जारी है।