ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში და ალბერტ აინშტაინის სპეციალური ფარდობითობის თეორიაში, სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში (c) წარმოადგენს აბსოლუტურ კოსმიურ სიჩქარის ლიმიტს. თუმცა, ფარდობითობის მათემატიკური ჩარჩო პირდაპირ არ კრძალავს ნაწილაკების არსებობას, რომლებიც ყოველთვის სინათლეზე სწრაფად მოძრაობენ. ეს ჰიპოთეტური ობიექტები ცნობილია როგორც ტაქიონები.
1. ტაქიონების ისტორიული წარმოშობა
ზესინათლური ნაწილაკების კონცეფციის საფუძველი მე-20 საუკუნის დასაწყისით თარიღდება. 1917 წელს ფიზიკოსმა რიჩარდ ტოლმანმა აღიარა, რომ ზესინათლური მოძრაობა მიზეზობრიობის დარღვევამდე მიიყვანს, რაც ცნობილია როგორც "ტაქიონური ანტიტელეფონის" პარადოქსი.
თანამედროვე ტაქიონის კონცეფცია ძირითადად ფიზიკოს ჯერალდ ფაინბერგს მიეწერება, რომელმაც ტერმინი შექმნა თავის 1967 წლის ნაშრომში "სინათლეზე სწრაფი ნაწილაკების შესაძლებლობა". სახელი მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან tachys (ტახის), რაც "სწრაფს" ნიშნავს. მატერიის სამი კატეგორია:
- ბრადიონები: რეალური მასის ნაწილაკები, ყოველთვის c-ზე ნელა (მაგ. პროტონები, ელექტრონები).
- ლუქსონები: უმასო ნაწილაკები, ზუსტად c სიჩქარით (მაგ. ფოტონები).
- ტაქიონები: ჰიპოთეტური ნაწილაკები წარმოსახვითი მასით, ყოველთვის c-ზე სწრაფი.
2. წარმოსახვითი მასის კინემატიკა
ტაქიონების გასაგებად უნდა განვიხილოთ რელატივისტური ენერგია-იმპულსის განტოლება:
თუ სიჩქარე (v) c-ზე მეტია, ფესვის ქვეშ მყოფი გამოსახულება (1 - v²/c²) უარყოფითი ხდება. ენერგიის (E) რეალური რიცხვად დარჩენისთვის, მოსვენების მასა (m₀) ასევე წარმოსახვითი რიცხვი უნდა იყოს.
ენერგია-სიჩქარის შებრუნებული დამოკიდებულება
ტაქიონების ყველაზე კონტრინტუიციური თვისებაა ის, თუ როგორ რეაგირებენ ენერგიის ცვლილებაზე. ჩვეულებრივი მატერიისთვის ენერგიის დამატება სიჩქარეს ზრდის. ტაქიონებისთვის ეს დამოკიდებულება შებრუნებულია: ენერგიის დაკარგვა სიჩქარეს ზრდის. ნულოვანი ენერგიის მქონე ტაქიონი უსასრულო სიჩქარით მოძრაობს.
3. ტაქიონები კვანტურ ველის თეორიასა და სიმების თეორიაში
კვანტური ველის თეორიაში ტაქიონი გაგებულია არა როგორც ზესინათლური ნაწილაკი, არამედ როგორც სისტემის არასტაბილურობის მაჩვენებელი. ეს არასტაბილურობა წყდება ტაქიონური კონდენსაციის პროცესით. ყველაზე ცნობილი მაგალითია ჰიგსის ველი.
ბოზონური სიმების თეორიაში სიმის ყველაზე დაბალი ენერგიის მდგომარეობა ტაქიონია. ეს პრობლემა სუპერსიმეტრიის შემოტანით მოგვარდა.
4. ექსპერიმენტული ძიებები და OPERA ანომალია
ათწლეულების განმავლობაში ფიზიკოსები ეძებდნენ ტაქიონურ ნაწილაკებს. 2011 წელს OPERA ექსპერიმენტმა თავდაპირველად აღმოაჩინა ნეიტრინოები, რომლებიც თითქოს სინათლეზე სწრაფად მოძრაობდნენ. თუმცა შემდგომი გამოკვლევით დადგინდა, რომ ანომალია გამოწვეული იყო აღჭურვილობის ხარვეზებით.
დასკვნა
ტაქიონები ელეგანტური მათემატიკური კურიოზი და მნიშვნელოვანი თეორიული ინსტრუმენტი რჩება. მიუხედავად იმისა, რომ ფიზიკური ზესინათლური ნაწილაკები არასდროს დაფიქსირებულა, წარმოსახვითი მასისა და ტაქიონური ველების მათემატიკა ცენტრალურია კვანტური ველის თეორიის თანამედროვე გაგებისთვის.