تكيون

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
نظراً لأن التكيون يتحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء فإننا لن نستطيع رؤيته أثناء اقترابه منا. بعد أن يمر التكيون بالقرب منا، فسوف نكون قادرين على رؤية صورتين له، واحدة تأتي والأخرى تذهب باتجاهين متعاكسين. يمثل الخط الأسود موجة صدمة شعاع شيرينكوف، مرئية للحظة واحدة فقط. تبدو ظاهرة هذه الصورة المضاعفة مرئية أكثر بالنسبة لمراقب يقع مباشرة على مسار الجسيم (في هذا المثال، كرة ممثلة باللون الرمادي). الشكل الأزرق على يمين الصورة هو الصورة المتكونة بتأثير الانزياح نحو الأزرق للضوء أثناء وصوله إلى عين المراقب الواقع على قمة خطوط شعاع شيرينكوف السوداء، وأما الصورة على اليسار ذات اللون الأحمر فهي تمثل الانزياح نحو الأحمر للضوء أثناء مغادرته الكرة بعد عبورها بعيداً عن المراقب.

التكيون أو الجسيم التكويوني هو جسيم افتراضي يتحرك دائماً بسرعة تفوق سرعة الضوء، وتأتي تسميته بهذا الاسم من الكلمة الإغريقية "ταχύς" أو "تاكيس" ويعني صغيرٌ وسريع جداً، وكان أول من صاغ الاسم غيرالد نايفبرغ في ورقة بحثية قدمها عام 1967،‏[1] افترض فيها فاينبيرغ أن الجسيم التكيوني قد يكون كمات في مجال كمي ذات مربع كتلة سالبة. ثم أدرِك أن إثارة مجالات الكتلة الافتراضية تلك، لا ينتج في الواقع جسيمات أسرع من الضوء[2] وإنما تشكل حالة من عدم الاستقرار تدعى "تكاثف التكيونات"[3]، وعلى الرغم من ذلك، ما زالت تلك المجالات تدعى بالتكيونات[4]، والتي لعبت دوراً هاماً في الفيزياء الحديثة.

يظن أغلب العلماء أن الجسيمات الأسرع من الضوء لا يكمن أن توجد في الطبيعة، لأن ذلك لا يتوافق مع قوانين الفيزياء[3][5]، وإن تواجدت فقد تستخدم لبناء جهاز تشويش تكيوني، وإرسال إشارات أسرع من الضوء، والتي بحسب نظرية النسبية الخاصة سوف تؤدي إلى خرق الطبيعة.[5] وبالمقابل فإن بعض النظريات المنسجمة مع الطاقة الكامنة للجسيمات ما فوق الضوئية لا ترى في هذه الجسيمات ما يخرق الطبيعة، على عكس نظرية ثبات لورنز المماثلة لنظرية النسبية الخاصة، ولذلك فإن سرعة الضوء ليست عائقاً أمام وجود هذه الجسيمات بالضرورة.

على الرغم من المجادلات النظرية المعارضة لوجود الجسيمات ما فوق الضوئية، لم تجرَ التجارب العلمية حتى الآن للتأكد من وجود التكيونات، كما لا يوجد أي برهان قاطع على وجودها.[6]

تاريخ التكيونات[عدل]

كما ذكر سابقاً، كان مخترع المصطلح "تكيون" العالم غيرالد فايبيرغ عام 1967 بورقةٍ بعنوان "احتمالية وجود جسيمات أسرع من الضوء".[1] درس فاينبيرغ حركية تلك الجسيمات حسب نظرية النسبية الخاصة، كما عرَّف بورقته الحقول ذات الكتلة التخيلية (تدعى حالياً حقول التكيونات أو التكيونات أيضاً) في محاولة لفهم أصل فيزياء الجسيمات. فيما تعزى الفرضية الأولى المتعلقة بالجسيمات فوق الضوئية إلى العالم الألماني أرنولد سومغفيلد في 1904.[7]

التكيونات في النظرية النسبية[عدل]

في نظرية النسبية الخاصة، يجب أن تكون للجسيمات ما فوق الضوئية "طبيعة شبه فضائية وقوة رباعية"[1] مقارنة مع الجسيمات العادية التي تحمل طبيعة "شبيهة بالضوء و قوة رباعية"، كما يجب أن تكون لها كتلة تخيلية حسب الجزء شبه الفضائي لمخطط القوة الطاقية، لن تستطيع التخفيف من سرعتها للسرعات العادية.[1]

الكتلة[عدل]

في نظرية لورنز إنفارينس تُطبَّق نفس العلاقات على الجسيمات الأبطأ من الضوء (والتي تدعى بروديونات في النقاشات المتعلقة بالتكيونات) على التكيونات ذاتها، وخاصة علاقة القوة الطاقية:

E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 \;

حيث أن P هي القوة النسبية للبراديون، m هي الكتلة المتبقية، يجب أن تطبق بعدها علاقة الطاقة الكلية للجزيء:

E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}.

تظهر العلاقة أن الطاقة الكتلية للجسيم سواء أكان براديون أو تكيون تحتوي على جزء من كتلته المتبقية (الكتلة الطاقية المتبقية) وجزء من حركته. عندما يكون v أكبر من c (سرعة الضوء) فإن الطاقة الحركية ستكون رقم عقدي، والقيمة الأساسية ستكون سالبة لأن الطاقة الكلية يجب أن تكون رقماً حقيقياً، والكتلة المتبقية m يجب أن تكون عقدية لأن تقسيم رقم عقدي صافي (يحتوي على رقم تخيلي فقط) على رقم عقدي صافي آخر هو رقم حقيقي.

السرعة[عدل]

ليس كباقي الجسيمات، سرعة التكيونات تزداد بنقصان طاقتها، عندما E تقترب من الصفر حيث v تقترب من اللانهاية، في حين أن طاقة البراديونات، E تزداد بازدياد السرعة و تصبح أكبر بصورة تعسفية حين تقترب v من سرعة الضوء c، لذلك لاتستطيع البراديونات أن تخرق عتبة سرعة الضوء لأنه يستوجب اكتسابهاطاقة لانهائية للوصول لعتبة سرعة الضوء وكذلك لا تستطيع التكوينات أن تقل سرعتها عن سرعة الضوء لأن ذلك يستوجبها طاقة لانهائية.

و قد ذكر آينشتاين و تولمان و غيرهم أن نظرية النسبية الخاصة توحي بأن الجسيمات الأسرع من الضوء إذا ثبت وجودها فقد تستخدم للتواصل مع الماضي.[8]

النترونات[عدل]

في 1985، اقترح كودوس إت آل أن النترونات قد تملك طبيعة تكيونية[9] و إن إمكانية حركة الجسيمات العادية بسرعة ما فوق ضوئية قد تجسد شروط خرق نظرية لورنز إنفاريس ، على سبيل المثال في نموذج التمدد القياسي [10][11][12] في هذا الإطار تخضع النترونات لـتأثير انهيار لورنز لذبذبة النترونات لتستطيع السير بشكل أكبر من سرعة الضوء عندما تمتلك طاقة هائلة، على أية حال هذا الاقتراح وجد نقدا كثيرا.[13]

إشعاعات شيرنكوف[عدل]

يخسر التكيون ذو الشحنة الكهربائية طاقته[14] تماما كما تخسر الجسيمات العادية المشحونة طاقتها عندما تتجاوز سرعتها السرعة المحلية لسرعة الضوء بشكل متوسط، يسير التكيون المشحون في الفضاء و يخضع لفترة تسارع محددة و مسمترة و يشكل مساره قطعا زائدا في الفضاء على أية حال كما وجدنا أن تخفيض طاقة التكيون تزيد من سرعته و لذلك القطع الزائد المنفرد المشكل هو تكيونان مشحونان بشنة متعاكسة و قوى متعاكسة ( نفس الحجم و لكن اشارة معاكسة ) مما يؤدي إلى إبداة كل منهما عندما يصلان إلى السرعة اللانهائية بنفس اللحظة و نفس المكان في الفضاء، و نفس القيمة عندها كلا التكيونان لن يمتلكان طاقة و قوة لانهائية و بجهتان متعاكستان و لذا لا تخترق أي قانون احتفاظ بإبادتهما بنفس الوقت. حتى التكيون غير المشحون يُتَوقع أن يخسر طاقته بتجاذبات إشعاعات شيرينكوف بداخل هذه الجسيمات. تتتتفاعل النترونات مع الجسيمات الأخرى بشكل عادي كما استخدم أندريو كوهين و شيلدون كلاشو هذا الموضوع للنقاش حول أن النترون لا يمكن أن يُشرَح بجعل النترونات تنتشر بسرعة تفوق سرعة الضوء و إنما يجب أن يكون السبب هو عبارة عن خطأ في التجربة.[15]

السببية[عدل]

السببية هي المبدأ الأساسي في الفيزياء، إذا كانت التكيونات قادرة على إرسال المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء فحسب نظرية النسبية الخاصة فإن التكيونات ستخترق السبب مؤدية إلى تناقض "قتل الجد" المنطقي. المشكلة قد تفهم بشروط علاقة نفس الوقت في نظرية النسبية الخاصة و التي تقول "إن اللحظات المرجعية الخاملة المختلفة سوف تتعارض في ترتيب الحدثان" أي أنه لايوجد ثمة حدث في ضوء مخروط مستقبل الآخر.[16] إذا كان أحد الحدثين يمثل إرسال إشارة من مكان ما، و الحدث الثاني يمثل استقبال تلك الإشارات في مكان مختلف، طالما أن الإشراة تتحرك بسرعة الضوء و أقل فإن رياضيات الوقت تؤكد أن كل اللحظات المرجعية توافق أن حدث الإرسال قد حدث قبل الاستقبال[16] أما بافتراض إشارة تتحرك بسرعة ما فوق ضوئية سيوجد دائما بعض اللحظات التي تم استقبال الإشراة فيها قبل إرسالها لذا فإن هذه الإشارات تسافر إلى الماضي لأن أحد الفرضيات الأساسية لنظرية النسبية الخاصة تقول : "إن قوانين الفيزياء يجب أن تعمل بنفس الطريقة بكل لحظة و إذا كان من الممكن للإشارات ان تسافر للماضي في لحظة مايجب أن يكون ذلك ممكنا في كل اللحظات" ، أي إذا كان المراقب أ يرسل إشارة للمراقب ب و التي تسير بسرعة فوق ضوئية ستصل إلى المراقب ب في لحظة سابقة في الزمن و المراقب ب يرسل إشارة أخرى كـ "رد" أيضا تتحرك بسرعة فوق ضوئية ستصل إلى المراقب أ في لحظة أسبق من الزمن أيضا، أي أن المراقب أ سيستقبل الرد قبل إرسال الإشارة الأصلية. تحدي السببية في كل لحظة و فتح باب التاقضات الصعبة.[17] وجد تفاصيل رياضية في موضوع التشويش التكيوني و صورة إيضاحية لمثل هذا الصدد.[18]

النماذج الأساسية[عدل]

في الفيزياء الحديثة ، كل الجسيمات الأساسية تعتبر متيرة للحقول الكمية. هناك العديد من الطرق المتميزة التي تمكن الجسيمات التكيونية من الترسخ في نظرية الحقل.

مجالات ذات كتلة تخيلية[عدل]

في ورقة غيرالد فاينبيرغ، درس فاينبيرغ الحقول الكمية لـ لورنز إنفارينت بكتلة تخيلية.[1] لأن مجموعة السرعة لمثل هذا الحقل تكون فوق ضوئية، تظهر أن إثاراتها تنتشر بسرعة فوق ضوئية، كما فُهم أن مجموعة السرعة فوق الضوئية لا تناظر سرعة انتشار أي اثارة محلية ( كالجسيم ). و إنما الكتلة السلبية تمثل حالة عدم استقرار لتكاثف التكيون، و كل إثارات الحقل المنتشرة بسرعة دون ضوئية متلائمة مع السببية.[2] على الرغم من عدم امتلاك انتشارات فوق ضوئية كالحقول التي تدعى بـ "التكيونات" في العديد من المصادر.[3][4][19][20][21][22]

الحقول التكيونية تلعب دورا هاما في الفيزياء الحديثة، لربما يكون الأشهر هيغس بوزون لـ النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات التي ليس لها كتلة تخيلية . بشكل عام ظاهرة "خرق التماثل الغير منتطم" و المتعلق بشكل كبير بـ "تكاثف التكيونات" تلعب دورا هاما جدا بالعديد من نواحي الفيزياء النظرية. بما فيه نظريتا "غينتسبيرغ لانداو" و "بي سي اس". مثال إخر عن المجال التكيوني نظرية الوتر البوزوني.[19][21][23]

النظريات الخارقة لـ لورنز[عدل]

في النظريات التي لا تحترم نظرية "لورنز انفارينس" بأن سرعة الضوء ليست بالضرورة عائقاً و الجسيمات قد تسير بسرعة فوق ضوئية بدون الحاجة للطاقة اللانهائية أو تناقضات السببية[24]. فئة من نظريات الحقل من ذلك النوع تدعى " الإضافات النموذجية القياسية"، و إثبات تجربة لورنز إنفارينس جيدة بشكل فائق.[25][26]

وصلات خارجية[عدل]

المراجع[عدل]

  1. ^ أ ب ت ث ج Feinberg، G. (1967). "Possibility of Faster-Than-Light Particles". Physical Review 159 (5): 1089–1105. Bibcode:1967PhRv..159.1089F. doi:10.1103/PhysRev.159.1089.  See also Feinberg's later paper: Phys. Rev. D 17, 1651 (1978)
  2. ^ أ ب Aharonov، Y.؛ Komar، A.؛ Susskind، L. (1969). "Superluminal Behavior, Causality, and Instability". Phys. Rev. (American Physical Society) 182 ({5},): 1400–1403. Bibcode:1969PhRv..182.1400A. doi:10.1103/PhysRev.182.1400. 
  3. ^ أ ب ت Lisa Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions, p.286: "People initially thought of tachyons as particles travelling faster than the speed of light...But we now know that a tachyon indicates an instability in a theory that contains it. Regrettably for science fiction fans, tachyons are not real physical particles that appear in nature."
  4. ^ أ ب A. Sen, "Rolling tachyon," JHEP 0204, 048 (2002). Cited 720 times as of 2/2012.
  5. ^ أ ب Tipler، Ralph A.؛ Llewellyn (2008). Modern Physics (الطبعة 5th). New York, NY: W.H. Freeman & Co. صفحة 54. ISBN 978-0-7167-7550-8. 
  6. ^ Feinberg، G. (1997). Encyclopedia Americana. Grolier. صفحة 210. 
  7. ^ Sommerfeld، A. (1904). "Simplified deduction of the field and the forces of an electron moving in any given way". Knkl. Acad. Wetensch 7: 345–367. 
  8. ^ Benford، G.؛ Book، D.؛ Newcomb، W. (1970). "The Tachyonic Antitelephone". Physical Review D 2 (2): 263. Bibcode:1970PhRvD...2..263B. doi:10.1103/PhysRevD.2.263. 
  9. ^ Chodos، A. (1985). "The Neutrino as a Tachyon". Physics Letters B 150 (6): 431. Bibcode:1985PhLB..150..431C. doi:10.1016/0370-2693(85)90460-5. 
  10. ^ Colladay، D.؛ Kostelecky، V. A. (1997). "CPT Violation and the Standard Model". Physical Review D 55 (11): 6760–6774. arXiv:hep-ph/9703464. Bibcode:1997PhRvD..55.6760C. doi:10.1103/PhysRevD.55.6760. 
  11. ^ Colladay، D.؛ Kostelecky، V. A. (1998). "Lorentz-Violating Extension of the Standard Model". Physical Review D 58 (11): 116002. arXiv:hep-ph/9809521. Bibcode:1998PhRvD..58k6002C. doi:10.1103/PhysRevD.58.116002. 
  12. ^ Kostelecky، V. A. (2004). "Gravity, Lorentz Violation, and the Standard Model". Physical Review D 69 (10): 105009. arXiv:hep-th/0312310. Bibcode:2004PhRvD..69j5009K. doi:10.1103/PhysRevD.69.105009. 
  13. ^ R. J. Hughes and G. J. Stephenson Jr., Against tachyonic neutrinos, Phys. Lett. B 244, 95–100 (1990).
  14. ^ Bock، R. K. (9 April 1998). "Cherenkov Radiation". The Particle Detector BriefBook. CERN. اطلع عليه بتاريخ 2011-09-23. 
  15. ^ Cohen, Andrew G. and Glashow, Sheldon L. ("2011",). "Pair Creation Constrains Superluminal Neutrino Propagation". Phys.Rev.Lett. "107",: "181803",. doi:10.1103/PhysRevLett.107.181803,.  Unknown parameter |eprint= ignored (help); Unknown parameter |primaryclass= ignored (help); Unknown parameter |archiveprefix= ignored (help)
  16. ^ أ ب Mark، J. "The Special Theory of Relativity". University of Cincinnati. صفحات 7–11. تمت أرشفته من الأصل على 2006-09-13. اطلع عليه بتاريخ 2006-10-27. 
  17. ^ Grøn، Ø.؛ Hervik، S. (2007). Einstein's General Theory of Relativity: With Modern Applications in Cosmology. Springer. ISBN 978-0-387-69199-2. 
  18. ^ Baker، R. (12 September 2003). "Relativity, FTL and causality". Sharp Blue. اطلع عليه بتاريخ 2011-09-23. 
  19. ^ أ ب Brian Greene, The Elegant Universe, Vintage Books (2000)
  20. ^ Kutasov, David and Marino, Marcos and Moore, Gregory W. (2000). "Some exact results on tachyon condensation in string field theory". JHEP 0010: 045.  Unknown parameter |eprint= ignored (help); Unknown parameter |reportnumber= ignored (help); Unknown parameter |primaryclass= ignored (help); Unknown parameter |archiveprefix= ignored (help)
  21. ^ أ ب NOVA, "The Elegant Universe", PBS television special, http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/
  22. ^ G. W. Gibbons, "Cosmological evolution of the rolling tachyon," Phys. Lett. B 537, 1 (2002)
  23. ^ J. Polchinski, String Theory, Cambridge University Press, Cambridge, UK (1998)
  24. ^ Carlos Barceló, Stefano Finazzi, Stefano Liberati, "On the impossibility of superluminal travel: the warp drive lesson", Second prize of the 2009 FQXi essay contest "What is Ultimately Possible in Physics?", p.8: "As a matter of fact, any mechanism for superluminal travel can be easily turned into a time machine and hence lead to the typical causality paradoxes..." [1]
  25. ^ Glashow, Sheldon Lee (2004). Atmospheric neutrino constraints on Lorentz violation.  Unknown parameter |eprint= ignored (help); Unknown parameter |archiveprefix= ignored (help); Unknown parameter |primaryclass= ignored (help)
  26. ^ Coleman, Sidney R. and Glashow, Sheldon L. (1999). "High-energy tests of Lorentz invariance". Phys.Rev. D59: 116008. arXiv:hep-ph/9812418. Bibcode:1999PhRvD..59k6008C. doi:10.1103/PhysRevD.59.116008. 

مصادر[عدل]