No modelo padrao da fisica de particulas e na teoria da relatividade especial de Albert Einstein, a velocidade da luz no vacuo ($c$) serve como um limite de velocidade cosmico absoluto para todas as formas conhecidas de materia e informacao. No entanto, o referencial matematico da relatividade nao proibe explicitamente a existencia de particulas que sempre viajam mais rapido que a luz. Essas entidades hipoteticas sao conhecidas como taquions.
1. A origem historica dos taquions
A base conceitual para particulas mais rapidas que a luz remonta ao inicio do seculo XX. Ja em 1917, o fisico Richard Tolman reconheceu que a viagem superluminal dentro do referencial da relatividade especial levaria a violacoes de causalidade, articuladas de forma celebre atraves do paradoxo do "antitelefone taquionico".
No entanto, a formalizacao moderna do conceito de taquion e atribuida principalmente ao fisico Gerald Feinberg, que cunhou o termo em seu artigo seminal de 1967 publicado na Physical Review, intitulado "Possibility of Faster-Than-Light Particles". O nome deriva da palavra grega tachys (takhys), que significa "veloz". Feinberg postulou que os taquions poderiam existir como quanta de um campo quantico com massa imaginaria. Aproximadamente na mesma epoca, os fisicos E.C.G. Sudarshan, O.M.P. Bilaniuk e V.K. Deshpande desenvolveram independentemente um referencial cinematico rigoroso para particulas superluminais, classificando toda a materia em tres categorias distintas com base em sua relacao com a velocidade da luz:
- Bradions (ou tardions): Particulas com massa de repouso real que sempre viajam mais devagar que $c$ (por exemplo, protons, eletrons).
- Luxons: Particulas sem massa que viajam exatamente a $c$ (por exemplo, fotons, gluons).
- Taquions: Particulas hipoteticas com massa de repouso imaginaria que sempre viajam mais rapido que $c$.
2. A cinematica da massa imaginaria
Para compreender os taquions, e preciso examinar a equacao relativistica de energia-momento:
Para uma particula viajando mais rapido que a luz, seu momento ($p$) e sua energia ($E$) devem permanecer matematicamente reais para que a particula seja fisicamente observavel. De acordo com as equacoes da transformacao de Lorentz, a energia relativistica de uma particula e dada por $E = m₀c² / √(1 - v²/c²)$.
Se a velocidade ($v$) e maior que $c$, o termo sob a raiz quadrada ($1 - v²/c²$) torna-se negativo, resultando em um denominador imaginario. Para que a energia total ($E$) permaneca como um numero real, a massa de repouso ($m₀$) tambem deve ser um numero imaginario. Quando um numero imaginario e dividido por um numero imaginario, o resultado e real. Assim, os taquions sao matematicamente definidos por possuirem uma massa de repouso imaginaria (um multiplo da raiz quadrada de -1, ou $i$).
A relacao invertida entre energia e velocidade
Uma das propriedades mais contraintuitivas dos taquions e como eles respondem a mudancas de energia. Para a materia ordinaria (bradions), adicionar energia aumenta a velocidade, aproximando-a da velocidade da luz. Para os taquions, a relacao e inversa: perder energia aumenta sua velocidade. A medida que a energia de um taquion se aproxima de zero, sua velocidade se aproxima do infinito. Inversamente, a medida que sua energia se aproxima do infinito, sua velocidade diminui, aproximando-se de $c$ por cima. Portanto, a velocidade da luz atua como um piso intransponivel para os taquions, assim como atua como um teto intransponivel para a materia ordinaria.
3. Taquions na teoria quantica de campos e na teoria de cordas
Embora particulas taquionicas isoladas nunca tenham sido observadas, os campos taquionicos sao um conceito critico na fisica teorica moderna, particularmente na Teoria Quantica de Campos (TQC) e na Teoria de Cordas.
Na TQC, um taquion nao e necessariamente entendido como uma particula viajando mais rapido que a luz, mas como uma indicacao de instabilidade no sistema. Um campo com massa imaginaria (um campo taquionico) representa uma configuracao situada no maximo local de sua energia potencial, como uma bola equilibrada precariamente no topo de uma colina.
Essa instabilidade e resolvida por um processo conhecido como condensacao taquionica. O campo "desce a colina" para alcancar um minimo estavel, adquirindo um valor de expectativa do vacuo diferente de zero. O exemplo mais famoso desse mecanismo e o campo de Higgs. Antes da quebra espontanea de simetria no universo primordial, o campo de Higgs era tecnicamente taquionico (com um termo de massa ao quadrado negativo). A medida que o universo esfriou, o campo sofreu condensacao taquionica, quebrando a simetria eletrofraca e conferindo massa as particulas fundamentais.
Na teoria de cordas bosonicas, a versao fundamental da teoria de cordas, o estado de menor energia (o estado fundamental) da corda e um taquion. Esse "problema do taquion" indicava que a teoria de cordas bosonicas era instavel. O problema foi posteriormente resolvido com a introducao da supersimetria, que levou a Teoria de Supercordas, eliminando naturalmente o estado fundamental taquionico.
4. Buscas experimentais e a anomalia OPERA
Durante decadas, fisicos experimentais realizaram buscas rigorosas por particulas taquionicas utilizando detectores de raios cosmicos e aceleradores de particulas. Se taquions carregados existissem, teoricamente emitiriam radiacao Cherenkov mesmo no vacuo perfeito, pois estariam viajando mais rapido que a velocidade local da luz (que no vacuo e $c$). Essa perda continua de energia os faria acelerar em direcao a velocidade infinita. Nenhuma radiacao Cherenkov no vacuo jamais foi detectada.
A intersecao mais famosa entre a fisica experimental e os taquions ocorreu em 2011 com a anomalia de neutrinos OPERA. A colaboracao OPERA no Laboratorio Nacional do Gran Sasso, na Italia, relatou que neutrinos muonicos disparados da instalacao do CERN, na Suica, chegaram 60 nanossegundos antes do que a luz levaria para percorrer a mesma distancia. Por um breve periodo, a comunidade fisica considerou a possibilidade de que os neutrinos pudessem ser taquionicos.
No entanto, investigacoes subsequentes revelaram que a anomalia era resultado de erros experimentais de medicao, especificamente um cabo de fibra otica solto conectando um receptor GPS a uma placa eletronica, e um oscilador de relogio marcando ligeiramente rapido demais. Uma vez corrigido, as velocidades dos neutrinos foram confirmadas como consistentes com a velocidade da luz, e a hipotese taquionica foi descartada.
5. O paradoxo da causalidade: o antitelefone taquionico
A principal objecao teorica a existencia de taquions fisicos e a violacao da causalidade. Na relatividade especial, a sequencia de eventos depende do referencial do observador. Se os taquions podem transmitir informacao mais rapido que a luz, e possivel construir referenciais onde um sinal e recebido antes de ser enviado.
Isso e ilustrado pelo paradoxo do antitelefone taquionico. Se Alice e Bob estao se afastando um do outro a velocidades relativisticas, Alice poderia usar um transmissor de taquions para enviar uma mensagem a Bob. Bob, ao recebe-la, responde imediatamente com seu proprio transmissor de taquions. Devido a relatividade da simultaneidade, a matematica dita que Alice receberia a resposta de Bob antes de ter enviado sua mensagem original. Isso cria um laco causal fatal: e se a mensagem original de Alice fosse uma instrucao para Bob nao responder?
Para resolver isso, os fisicos recorrem a principios como a conjectura de protecao cronologica de Stephen Hawking ou a ideia de que, mesmo que campos taquionicos existam (como no mecanismo de Higgs), eles nao podem ser usados para transmitir informacao ou energia localizada mais rapido que $c$.
Conclusao
Os taquions permanecem como uma elegante curiosidade matematica e uma ferramenta teorica vital. Embora particulas fisicas cruzando o espaco mais rapido que a luz nunca tenham sido detectadas, e tal descoberta causaria estragos na causalidade, a matematica subjacente da massa imaginaria e dos campos taquionicos (condensacao taquionica) e absolutamente central para nossa compreensao moderna da teoria quantica de campos e da origem da massa no universo.