|
Существуют ли частицы, движущиеся быстрее света
|
|
|
|
Одной из самых ограничивающих констант современной физики является скорость света. Это означает, что мы не сможем передать информацию астронавтам, посетившим ближайшую звезду, Проксиму Центавра, менее чем за 4,25 года.
|
|
|
|
Несмотря на то, что мы принимаем желаемое за действительное, квантовая запутанность не может передавать сообщения быстрее света. Действительно, измерение запутанной квантовой системы в одном месте повлияло бы на ее измерение в другом месте со скоростью, превышающей скорость света, но посредством этих двух измерений не происходит передачи намеренного сообщения.
|
|
|
|
Ни одна из известных частиц не движется быстрее света. Однако совсем недавно, в июле 2024 года, в статье, опубликованной в журнале Physical Review D, некоторые физики предположили, что гипотетическая разновидность элементарных частиц может двигаться быстрее света. Эти частицы называются тахионами.
|
|
|
|
Если тахионы существуют, их можно использовать для отправки сигналов в прошлое. Это нарушило бы причинно-следственную связь в соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна, что привело бы к так называемому парадоксу дедушки, с помощью которого вы могли бы путешествовать в прошлое и взаимодействовать со своим дедушкой, чтобы предотвратить собственное рождение. Скорость тахионов увеличивается с уменьшением энергии. Экспериментальных доказательств существования тахионов не существует.
|
|
|
|
|
|
|
В сентябре 2011 года эксперимент OPERA в ЦЕРНЕ сообщил, что нейтрино движутся быстрее света, но более поздние обновления показали, что этот вывод был сделан из-за неисправности волоконно-оптического кабеля в экспериментальной системе синхронизации.
|
|
|
|
Конечно, лабораторные ограничения зависят от типов взаимодействий, которые имеют тахионы. Если тахион имеет значительные взаимодействия с частицами стандартной модели, мы можем ожидать, что будет особенно легко обнаружить сигналы, которые не видны из нашего будущего. Более того, мы можем ожидать, что уже были обнаружены доказательства существования тахионов с помощью точных лабораторных тестов в ЦЕРНе или различных детекторов частиц. С другой стороны, возможно, что тахионы взаимодействуют с обычной материей слабее, чем нейтрино. В пределе чрезвычайно слабых взаимодействий это означало бы, что тахионы могут быть ограничены только гравитационными испытаниями, поскольку гравитация универсальна для всех частиц и является единственным взаимодействием, которого невозможно избежать. Это предельный случай, когда возможные теоретические проблемы и ограничения, связанные с прямыми наблюдениями, сведены к минимуму.
|
|
|
|
Тем не менее, даже если взаимодействие носит только гравитационный характер, можно было бы найти косвенные способы ограничить существование тахионов.
|
|
|
|
Ряд астрофизических наблюдений, проведенных с помощью рентгеновских двойных звезд, питающих черную дыру, и источников гравитационных волн LIGO, показывают, что черные дыры звездной массы существуют и существуют в течение миллиардов лет. Тахионы должны быть совместимы с этим фактом.
|
|
|
|
В новой статье, которую я только что написал вместе с замечательными Марком Герцбергом и Эйданом Морхаусом, показано, что долгосрочное существование черных дыр может быть использовано для исключения массивных тахионов. Идея проста. Черные дыры можно рассматривать как настоящую тюрьму, но только для частиц, скорость которых не превышает скорости света. Тахионы могут квантово-механически покидать близлежащие черные дыры и вызывать их испарение с большей интенсивностью, чем рассчитал Стивен Хокинг в своей знаменитой статье 1974 года.
|
|
|
|
Основанный на классическом (неквантовом) Физики, мы можем спросить, могут ли тахионы вырваться из черной дыры. Это кажется правдоподобным, учитывая, что они движутся быстрее света. Однако наша статья показывает, что с точки зрения удаленного наблюдателя даже тахионы не ускользают от внимания. Однако тахионы могут улетучиваться из черных дыр квантово-механически. В нашей статье мы рассчитали излучение тахионов Хокинга и обнаружили, что для тяжелых тахионов возникающий поток энергии значительно увеличивается по сравнению со стандартным излучением фотонов Хокинга. Это приводит к быстрому испарению черных дыр, если тахионы достаточно массивны. Мы используем это понимание для определения прямой нижней границы массы любого тахиона.
|
|
|
|
В нашей статье получены прямые наблюдательные ограничения для тахионов. Мы вычисляем излучение тахионов Хокинга от черных дыр и обнаруживаем, что оно значительно усиливается в присутствии тяжелых тахионов. Для черной дыры массой M и тахионов массой m время жизни черной дыры пропорционально M/m2. Это означает, что наблюдение астрофизических черных дыр с массой в несколько солнечных масс и временем жизни в несколько миллиардов лет исключает тахионы с массой m, превышающей массу протона более чем в миллиард раз.
|
|
|
|
Другими словами, не может быть никаких тахионов, связанных с масштабами Великого объединения или квантовой гравитации, в пределах десятой миллиардной массы Планка, что в 10^ {19} раз больше массы протона. В результате, хотя уже есть теоретические основания скептически относиться к существованию тахионов, основанные на причинно-следственных связях, в нашей статье приводится новое наблюдательное ограничение, основанное на длительном сроке жизни астрофизических черных дыр.
|
|
|
|
Будущее открытие первичных черных дыр в диапазоне масс астероидов 10^{17}-10^{21} граммы, которые потенциально могут представлять собой темную материю, исключают массу тахиона, в 7-700 раз превышающую массу протона.
|
|
|
|
Конечно, если мы когда-нибудь столкнемся с событиями, связанными с будущим поколением коллайдеров элементарных частиц ЦЕРНа, или с тем, что происходило до Большого взрыва, нам, возможно, придется пересмотреть вопрос о возможном существовании тахионов.
|
|
|
|
Источник
|
