Un taquión ( / ˈtæk iɒn / ) o partícula taquiónica es una partícula hipotética que siempre viaja más rápido que la luz . Los físicos creen que las partículas más rápidas que la luz no pueden existir porque son incompatibles con las leyes conocidas de la física . [ 1] [2] Si tales partículas existieran, podrían usarse para enviar señales más rápidas que la luz y hacia el pasado. Según la teoría de la relatividad, esto violaría la causalidad , lo que llevaría a paradojas lógicas como la paradoja del abuelo . [1] Los taquiones exhibirían la propiedad inusual de aumentar su velocidad a medida que disminuye su energía, y requerirían energía infinita para reducir la velocidad a la de la luz. No se ha encontrado evidencia experimental verificable de la existencia de tales partículas.
En el artículo de 1967 que acuñó el término, Gerald Feinberg propuso que las partículas taquiónicas podrían formarse a partir de excitaciones de un campo cuántico con masa imaginaria . [3] Sin embargo, pronto se comprendió que el modelo de Feinberg de hecho no permitía partículas o señales superlumínicas (más rápidas que la luz) y que los campos taquiónicos simplemente dan lugar a inestabilidades, no a violaciones de causalidad. [4] El término campo taquiónico se refiere a campos de masa imaginarios en lugar de a partículas más rápidas que la luz. [2] [5]
El término taquión proviene del griego: ταχύς , tachus , que significa rápido . [6] : 515 Los tipos de partículas complementarias se denominan luxones (que siempre se mueven a la velocidad de la luz ) y bradiones (que siempre se mueven más lento que la luz); se sabe que existen ambos tipos de partículas.
El término taquión fue acuñado por Gerald Feinberg en un artículo de 1967 titulado "Posibilidad de partículas más rápidas que la luz". [3] Se había inspirado en el cuento de ciencia ficción "Beep" de James Blish . [7] Feinberg estudió la cinemática de dichas partículas según la relatividad especial . En su artículo, también introdujo campos con masa imaginaria (ahora también denominados taquiones) en un intento de comprender el origen microfísico que podrían tener dichas partículas.
La primera hipótesis sobre las partículas más rápidas que la luz se atribuye a veces al físico Arnold Sommerfeld , quien, en 1904, las llamó "metapartículas". [8] [9] Bilanuik, Deshpande y Sudarshan discutieron esto más recientemente en su artículo de 1962 sobre el tema [10] y en 1969. [11]
La posibilidad de la existencia de partículas más rápidas que la luz también fue propuesta por Lev Yakovlevich Shtrum en 1923. [12]
En septiembre de 2011, se informó, en un importante comunicado del CERN , que un neutrino tau había viajado más rápido que la velocidad de la luz; sin embargo, actualizaciones posteriores del CERN sobre el experimento OPERA indican que las lecturas más rápidas que la luz se debieron a un elemento defectuoso del sistema de cronometraje de fibra óptica del experimento. [13]
En la relatividad especial , una partícula más rápida que la luz tendría un momento cuádruple similar al del espacio , [3] a diferencia de las partículas ordinarias que tienen un momento cuádruple similar al del tiempo . Si bien algunas teorías sugieren que la masa de los taquiones es imaginaria , las formulaciones modernas a menudo consideran que su masa es real, [14] [15] [16] con fórmulas redefinidas para el momento y la energía. Además, dado que los taquiones están confinados a la parte similar al espacio del gráfico de energía-momento, no pueden reducir su velocidad a velocidades subluminales (más lentas que la de la luz). [3]
En una teoría invariante de Lorentz , las mismas fórmulas que se aplican a las partículas ordinarias más lentas que la luz (a veces llamadas bradiones en las discusiones sobre taquiones) también deben aplicarse a los taquiones. En particular, la relación energía-momento :
(donde p es el momento relativista del bradión y m es su masa en reposo ) aún debería aplicarse, junto con la fórmula para la energía total de una partícula:
Esta ecuación muestra que la energía total de una partícula (bradión o taquión) contiene una contribución de su masa en reposo (la "masa en reposo-energía") y una contribución de su movimiento, la energía cinética. Cuando (la velocidad de la partícula) es mayor que (la velocidad de la luz), el denominador en la ecuación para la energía es imaginario , ya que el valor bajo la raíz cuadrada es negativo. Debido a que la energía total de la partícula debe ser real (y no un número complejo o imaginario) para tener algún significado práctico como medida, el numerador también debe ser imaginario (es decir, la masa en reposo m debe ser imaginaria, ya que un número imaginario puro dividido por otro número imaginario puro es un número real).
En algunas formulaciones modernas de la teoría, la masa de los taquiones se considera real. [14] [15] [16]
Un efecto curioso es que, a diferencia de las partículas ordinarias, la velocidad de un taquión aumenta a medida que disminuye su energía. En particular, se acerca a cero cuando se acerca al infinito. (Para la materia bariónica ordinaria , aumenta con el aumento de la velocidad, volviéndose arbitrariamente grande a medida que se acerca a , la velocidad de la luz ). Por lo tanto, así como los bradiones tienen prohibido romper la barrera de la velocidad de la luz, también se les prohíbe a los taquiones reducir su velocidad por debajo de c , porque se requiere energía infinita para alcanzar la barrera desde arriba o desde abajo.
Como señalaron Albert Einstein , Tolman y otros, la relatividad especial implica que las partículas más rápidas que la luz, si existieran, podrían usarse para comunicarse hacia atrás en el tiempo . [17]
En 1985, Chodos propuso que los neutrinos pueden tener una naturaleza taquiónica. [18] La posibilidad de que las partículas del modelo estándar se muevan a velocidades superiores a la de la luz se puede modelar utilizando términos que violan la invariancia de Lorentz , por ejemplo en la Extensión del Modelo Estándar . [19] [20] [21] En este marco, los neutrinos experimentan oscilaciones que violan la invariancia de Lorentz y pueden viajar más rápido que la luz a altas energías. Esta propuesta fue fuertemente criticada. [22]
Si los taquiones pueden transmitir información más rápido que la luz, entonces, según la relatividad, violan la causalidad, lo que conduce a paradojas lógicas del tipo "mata a tu propio abuelo" . Esto se ilustra a menudo con experimentos mentales como la "paradoja del teléfono de taquiones" [17] o el "autoinhibidor lógicamente pernicioso". [23]
El problema puede entenderse en términos de la relatividad de la simultaneidad en la relatividad especial, que dice que diferentes sistemas de referencia inerciales no estarán de acuerdo sobre si dos eventos en diferentes lugares sucedieron "al mismo tiempo" o no, y también pueden estar en desacuerdo sobre el orden de los dos eventos. (Técnicamente, estos desacuerdos ocurren cuando el intervalo espacio -temporal entre los eventos es "similar al espacio", lo que significa que ninguno de los eventos se encuentra en el cono de luz futuro del otro.) [24]
Si uno de los dos eventos representa el envío de una señal desde una ubicación y el segundo evento representa la recepción de la misma señal en otra ubicación, entonces, siempre que la señal se mueva a la velocidad de la luz o más lenta, las matemáticas de la simultaneidad aseguran que todos los marcos de referencia concuerden en que el evento de transmisión ocurrió antes del evento de recepción. [24] Sin embargo, en el caso de una señal hipotética que se mueve más rápido que la luz, siempre habría algunos marcos en los que la señal se recibió antes de ser enviada, de modo que podría decirse que la señal se movió hacia atrás en el tiempo. Debido a que uno de los dos postulados fundamentales de la relatividad especial dice que las leyes de la física deberían funcionar de la misma manera en cada marco inercial, si es posible que las señales se muevan hacia atrás en el tiempo en cualquier marco, debe ser posible en todos los marcos. Esto significa que si el observador A envía una señal al observador B que se mueve más rápido que la luz en el marco de A pero hacia atrás en el tiempo en el marco de B, y luego B envía una respuesta que se mueve más rápido que la luz en el marco de B pero hacia atrás en el tiempo en el marco de A, podría resultar que A reciba la respuesta antes de enviar la señal original, desafiando la causalidad en cada marco y abriendo la puerta a graves paradojas lógicas. [25] Esto se conoce como el antiteléfono taquiónico .
El principio de reinterpretación [3] [10] [25] afirma que un taquión enviado al pasado siempre puede reinterpretarse como un taquión que viaja hacia adelante en el tiempo, porque los observadores no pueden distinguir entre la emisión y la absorción de taquiones. El intento de detectar un taquión del futuro (y violar la causalidad) en realidad crearía el mismo taquión y lo enviaría hacia adelante en el tiempo (lo cual es causal).
Sin embargo, este principio no es ampliamente aceptado como la solución de las paradojas. [17] [25] [26] En cambio, lo que se requeriría para evitar las paradojas es que, a diferencia de cualquier partícula conocida, los taquiones no interactúan de ninguna manera y nunca pueden ser detectados u observados, porque de lo contrario un haz de taquiones podría ser modulado y utilizado para crear un antiteléfono [17] o un "autoinhibidor lógicamente pernicioso". [23] Se cree que todas las formas de energía interactúan al menos gravitacionalmente, y muchos autores afirman que la propagación superlumínica en las teorías invariantes de Lorentz siempre conduce a paradojas causales. [27] [28]
En la física moderna, todas las partículas fundamentales se consideran excitaciones de campos cuánticos . Existen varias formas distintas en las que las partículas taquiónicas podrían incorporarse a una teoría de campos.
En el artículo que acuñó el término "taquión", Gerald Feinberg estudió campos cuánticos invariantes de Lorentz con masa imaginaria . [3] Debido a que la velocidad de grupo para un campo de este tipo es superlumínica , ingenuamente parece que sus excitaciones se propagan más rápido que la luz. Sin embargo, se entendió rápidamente que la velocidad de grupo superlumínica no corresponde a la velocidad de propagación de ninguna excitación localizada (como una partícula). En cambio, la masa negativa representa una inestabilidad a la condensación de taquiones , y todas las excitaciones del campo se propagan subluminalmente y son consistentes con la causalidad. [29] A pesar de no tener una propagación más rápida que la luz, a estos campos se los denomina simplemente "taquiones" en muchas fuentes. [5] [30] [31] [32] [2]
Los campos taquiónicos desempeñan un papel importante en la física moderna. Quizás el más famoso sea el bosón de Higgs del Modelo Estándar de la física de partículas , que tiene una masa imaginaria en su fase no condensada. En general, el fenómeno de la ruptura espontánea de la simetría , que está estrechamente relacionado con la condensación de taquiones, desempeña un papel importante en muchos aspectos de la física teórica, incluidas las teorías de Ginzburg-Landau y BCS de la superconductividad. Otro ejemplo de un campo taquiónico es el taquión de la teoría de cuerdas bosónicas . [30] [33]
Los taquiones se predicen mediante la teoría de cuerdas bosónicas y también mediante los sectores Neveu-Schwarz (NS) y NS-NS , que son respectivamente el sector bosónico abierto y el sector bosónico cerrado, de la teoría de supercuerdas RNS antes de la proyección GSO . Sin embargo, dichos taquiones no son posibles debido a la conjetura de Sen , también conocida como condensación de taquiones . Esto dio lugar a la necesidad de la proyección GSO .
En las teorías que no respetan la invariancia de Lorentz , la velocidad de la luz no es (necesariamente) una barrera, y las partículas pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz sin energía infinita o paradojas causales. [27] Una clase de teorías de campo de ese tipo son las llamadas extensiones del Modelo Estándar . Sin embargo, la evidencia experimental de la invariancia de Lorentz es extremadamente buena, por lo que tales teorías están muy estrechamente restringidas. [34] [35]
Modificando la energía cinética del campo, es posible producir teorías de campo invariantes de Lorentz con excitaciones que se propagan superlumínicamente. [29] [28] Sin embargo, tales teorías, en general, no tienen un problema de Cauchy bien definido (por razones relacionadas con las cuestiones de causalidad discutidas anteriormente), y probablemente sean inconsistentes desde el punto de vista mecánico cuántico.
Los taquiones han aparecido en muchas obras de ficción. Se han utilizado como un mecanismo de reserva en el que se basan muchos autores de ciencia ficción para establecer una comunicación más rápida que la luz, con o sin referencia a cuestiones de causalidad. La palabra taquión ha llegado a ser ampliamente reconocida hasta tal punto que puede impartir una connotación de ciencia ficción incluso si el tema en cuestión no tiene una relación particular con los viajes superlumínicos (una forma de jerga tecnológica , similar al cerebro positrónico ). [36]
así que la existencia de partículas v > c ... llamadas taquiones ... presentaría a la relatividad serios... problemas de energías de creación infinitas y paradojas de causalidad.
La gente inicialmente pensó que los taquiones eran partículas que viajaban más rápido que la velocidad de la luz... Pero ahora sabemos que un taquión indica una inestabilidad en una teoría que lo contiene. Lamentablemente, para los fanáticos de la ciencia ficción, los taquiones no son partículas físicas reales que aparecen en la naturaleza.
Años después me dijo que había empezado a pensar en los taquiones porque se había inspirado en el cuento de James Blish [1954], "Beep". En él, un comunicador más rápido que la luz desempeña un papel crucial en una sociedad futura, pero tiene un molesto
pitido
final al final de cada mensaje. El comunicador permite necesariamente enviar señales hacia atrás en el tiempo, incluso cuando esa no es su intención. Finalmente, los personajes descubren que todos los mensajes futuros están comprimidos en ese pitido, por lo que el futuro se conoce, más o menos por accidente. Feinberg se había propuesto comprobar si un aparato así era teóricamente posible.
Un argumento más poderoso para demostrar que los taquiones retrocausales implican una dificultad conceptual intolerable se ilustra con el "caso del autoinhibidor lógicamente pernicioso"...
no puede resolverse mediante el principio de reinterpretación.
es posible ... resolver también las paradojas causales conocidas, ideadas para
[refutar]
el movimiento 'más rápido que la luz', aunque esto aún no es ampliamente reconocido.
De hecho, cualquier mecanismo de viajes superlumínicos puede convertirse fácilmente en una máquina del tiempo y, por lo tanto, conducir a las típicas paradojas de causalidad...
