В современной теоретической физике слово «тахион» значительно эволюционировало по сравнению с первоначальным определением как сверхсветовая точечная частица. Сегодня, в контексте квантовой теории поля (КТП) и теории струн, «тахион» почти исключительно означает тахионное поле -- поле с мнимой массой, указывающее на фундаментальную нестабильность вакуумного состояния.
1. Конденсация тахионов и нарушение симметрии
В квантовой теории поля квадрат массы (m²) поля соответствует второй производной функции потенциальной энергии в локальном минимуме (вакуумном состоянии). Для стандартных частиц m² положителен, что означает, что поле находится в устойчивой «чаше» потенциальной энергии. Любое малое возмущение заставит поле колебаться вокруг минимума, создавая наблюдаемые частицы.
Тахионное поле имеет отрицательный квадрат массы (m² < 0). Это означает, что поле находится на локальном максимуме потенциальной энергии -- подобно мячу, идеально сбалансированному на вершине холма. Это состояние математически возможно, но физически нестабильно.
Из-за этой нестабильности поле спонтанно «скатывается» с холма, чтобы найти истинное устойчивое состояние с минимальной энергией. Этот процесс называется конденсацией тахионов. Когда поле оседает в новом минимуме, исходная тахионная нестабильность исчезает, поле приобретает ненулевое вакуумное ожидаемое значение (ВОЗ), а связанные с полем частицы приобретают действительную положительную массу.
Механизм Хиггса
Самый известный физический пример конденсации тахионов -- поле Хиггса. В чрезвычайно горячей ранней Вселенной потенциал Хиггса был симметричным, и поле фактически имело отрицательный квадрат массы -- оно было тахионным. По мере остывания Вселенной поле скатилось к устойчивому минимуму в потенциале типа «мексиканской шляпы». Это спонтанное нарушение симметрии придало массу W- и Z-бозонам, а оставшиеся возбуждения поля -- это то, что мы сегодня наблюдаем как бозон Хиггса (который имеет положительную действительную массу).
2. Тахионная проблема в бозонной теории струн
Теория струн стремится объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, заменяя точечные частицы одномерными вибрирующими струнами. Первоначальная формулировка этой идеи, разработанная в конце 1960-х и 1970-х годах, известна как бозонная теория струн.
Однако бозонная теория струн страдала от критического, фатального недостатка: мода колебаний с наименьшей энергией (основное состояние) порождала частицу с отрицательным квадратом массы. Иными словами, вакуум бозонной теории струн содержал тахион.
Это указывало на фундаментальную нестабильность 26-мерного пространства-времени бозонной теории струн, которое подвергалось бы конденсации тахионов и распаду в состояние с меньшей энергией. Теоретик Ашок Сен внёс прорывной вклад в конце 1990-х годов, показав, что конденсация тахиона открытой струны представляет распад нестабильных D-бран в вакуум замкнутой струны.
В конечном итоге для решения тахионной проблемы и успешного моделирования фермионов (частиц материи) физики ввели суперсимметрию. Это привело к суперструнной теории, которая исключает тахионное основное состояние посредством GSO-проекции, обеспечивая стабильный вакуум.
3. Тахионные поля в космологии и тёмная энергия
Тахионные поля нашли глубокие применения в космологии, в частности в моделях космической инфляции и тёмной энергии.
Некоторые инфляционные модели предполагают, что быстрое экспоненциальное расширение ранней Вселенной было вызвано тахионным полем, скатывающимся по потенциалу к минимуму. Поскольку кинетическая энергия катящегося тахионного поля ограничена, это обеспечивает естественный механизм «медленного скатывания» (slow-roll), при котором Вселенная расширяется плавно, прежде чем поле достигнет дна потенциала и разогреет Вселенную.
Аналогичным образом, в струнной космологии катящийся тахион на распадающейся D-бране имеет уравнение состояния, которое ведёт себя поразительно похоже на тёмную энергию (или квинтэссенцию). Когда тахионное поле приближается к своему минимуму, его давление приближается к отрицательной плотности энергии (p стремится к -ρ), что является именно тем свойством, которое необходимо для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной.
Заключение
Когда современный физик-теоретик говорит о тахионах, он почти никогда не имеет в виду научно-фантастические космические корабли, движущиеся быстрее света. Речь идёт о глубокой математике нестабильностей вакуума. Конденсация тахионов -- это механизм, с помощью которого Вселенная спонтанно нарушает симметрию и порождает сложные массивные структуры, которые мы наблюдаем, из изначально нестабильной безмассовой пустоты.