Na fisica teorica moderna, a palavra "taquion" evoluiu significativamente em relacao a sua definicao original como uma particula pontual superluminal. Hoje, no contexto da Teoria Quantica de Campos (TQC) e da Teoria de Cordas, "taquion" refere-se quase exclusivamente a um campo taquionico: um campo com massa imaginaria que sinaliza uma instabilidade fundamental no estado de vacuo.
1. Condensacao taquionica e quebra de simetria
Na teoria quantica de campos, a massa ao quadrado ($m²$) de um campo corresponde a segunda derivada de sua funcao de energia potencial no minimo local (o estado de vacuo). Para particulas padrao, $m²$ e positivo, o que significa que o campo esta em uma "bacia" estavel de energia potencial. Qualquer pequena perturbacao fara com que o campo oscile ao redor do minimo, criando as particulas que observamos.
Um campo taquionico tem massa ao quadrado negativa ($m² < 0$). Isso significa que o campo esta em um maximo local de energia potencial, como uma bola equilibrada perfeitamente no topo de uma colina. Esse estado e matematicamente possivel, mas fisicamente instavel.
Devido a essa instabilidade, o campo "descera" espontaneamente a colina para encontrar um verdadeiro estado estavel de energia minima. Esse processo e chamado de condensacao taquionica. Quando o campo se assenta no novo minimo, a instabilidade taquionica original desaparece, o campo adquire um valor de expectativa do vacuo (VEV) diferente de zero e as particulas associadas ao campo adquirem uma massa real e positiva.
O mecanismo de Higgs
O exemplo fisico mais famoso de condensacao taquionica e o campo de Higgs. No universo primordial, extremamente quente, o potencial de Higgs era simetrico e o campo efetivamente tinha massa ao quadrado negativa: era taquionico. A medida que o universo esfriou, o campo desceu a um minimo estavel em um potencial de "chapeu mexicano". Essa quebra espontanea de simetria conferiu massa aos bosons W e Z, e as excitacoes remanescentes do campo sao o que observamos hoje como o boson de Higgs (que tem massa positiva e real).
2. O problema do taquion na teoria de cordas bosonicas
A teoria de cordas tenta unificar a relatividade geral com a mecanica quantica substituindo particulas pontuais por cordas unidimensionais vibrantes. A formulacao original dessa ideia, desenvolvida no final dos anos 1960 e 1970, e conhecida como teoria de cordas bosonicas.
No entanto, a teoria de cordas bosonicas sofria de uma falha critica e fatal: o modo vibracional de menor energia da corda (o estado fundamental) produzia uma particula com massa ao quadrado negativa. Em outras palavras, o vacuo da teoria de cordas bosonicas continha um taquion.
Isso indicava que o espaco-tempo de 26 dimensoes da teoria de cordas bosonicas era fundamentalmente instavel e sofreria condensacao taquionica para decair a um estado de menor energia. O teorico Ashoke Sen fez contribuicoes revolucionarias no final dos anos 1990, demonstrando que a condensacao do taquion de corda aberta representa o decaimento de D-branas instaveis no vacuo da corda fechada.
Em ultima analise, para resolver o problema do taquion e modelar com sucesso os fermions (particulas de materia), os fisicos introduziram a supersimetria. Isso levou a Teoria de Supercordas, que elimina o estado fundamental taquionico por meio da projecao GSO, garantindo um vacuo estavel.
3. Campos taquionicos na cosmologia e energia escura
Os campos taquionicos tambem encontraram aplicacoes profundas na cosmologia, especificamente em modelos de inflacao cosmica e energia escura.
Alguns modelos inflacionarios sugerem que a rapida expansao exponencial do universo primordial foi impulsionada por um campo taquionico descendo seu potencial em direcao ao minimo. Como a energia cinetica do campo taquionico em movimento e limitada, ele fornece um mecanismo natural para a inflacao de "rolamento lento", onde o universo se expande suavemente antes de o campo atingir o fundo do potencial e reaquecer o universo.
Da mesma forma, na cosmologia de cordas, o taquion rolante sobre uma D-brana em decomposicao tem uma equacao de estado que se comporta notavelmente como a energia escura (ou quintessencia). A medida que o campo taquionico se aproxima de seu minimo, sua pressao se aproxima do negativo de sua densidade de energia ($p \to -\rho$), que e exatamente a propriedade necessaria para impulsionar a expansao acelerada observada do universo.
Conclusao
Quando um fisico teorico moderno fala de taquions, quase nunca esta se referindo a naves espaciais de ficcao cientifica viajando mais rapido que a luz. Esta discutindo a profunda matematica das instabilidades do vacuo. A condensacao taquionica e o mecanismo pelo qual o universo quebra espontaneamente a simetria e gera as estruturas complexas e massivas que observamos a partir de um vacuo inicialmente instavel e sem massa.