Tachyon

Ein Tachyon ( ausgesprochen / ˈtækiɒn / ) oder tachyonisches Teilchen ist ein hypothetisches Teilchen , das sich stets schneller als Licht bewegt . Physiker gehen davon aus, dass solche Teilchen nicht existieren können , da sie den bekannten physikalischen Gesetzen widersprechen . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Würden sie existieren, könnten sie möglicherweise genutzt werden, um Signale schneller als Licht in die Vergangenheit zu senden. Laut Relativitätstheorie würde dies jedoch die Kausalität verletzen und zu logischen Paradoxien wie dem Großvaterparadoxon führen . ^{[ 1 ]} Tachyonen würden die ungewöhnliche Eigenschaft aufweisen, mit abnehmender Energie an Geschwindigkeit zuzunehmen, und bräuchten unendlich viel Energie, um auf Lichtgeschwindigkeit abgebremst zu werden. Bislang gibt es keine verifizierbaren experimentellen Beweise für die Existenz solcher Teilchen.

Der Begriff „Tachyon“ stammt aus einer 1967 veröffentlichten Arbeit von Gerald Feinberg über Anregungen eines Quantenfeldes mit imaginärer Masse. Spätere Arbeiten haben gezeigt, dass diese Anregungen nicht schneller als Lichtteilchen sind, dennoch sprechen Teilchenphysiker weiterhin von „Tachyonen“, beispielsweise bei der Tachyonenkondensation , wenn sie tachyonische Felder meinen.

Der Begriff Tachyon stammt aus dem Griechischen: ταχύς , tachus , was schnell bedeutet . ^{[ 3 ] : 515} Die komplementären Teilchenarten heißen Luxonen (die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen ) und Bradyonen (die sich immer langsamer als Lichtgeschwindigkeit bewegen); es ist bekannt, dass beide Teilchenarten existieren.

Überlichtschnelle Teilchen wurden bereits vor der Relativitätstheorie von Physikern wie J. J. Thomson und Arnold Sommerfeld diskutiert . ^{[ 4 ] [ 5 ] : 718} Die Möglichkeit der Existenz überlichtschneller Teilchen wurde auch 1923 von Lew Jakowlewitsch Schtrum vorgeschlagen. ^{[ 6 ]}

1962 ^{[ 5 ]} und erneut 1969 ^{[ 7 ]} diskutierten Oleksa-Myron Bilanuik, Vijay Deshpande und E. C. George Sudarshan die Möglichkeit einer Klasse von Teilchen, die sich schneller als das Licht bewegen, im Einklang mit der speziellen Relativitätstheorie. Dabei wiesen sie darauf hin, dass Lichtteilchen niemals beschleunigt, sondern mit der vollen Lichtgeschwindigkeit erzeugt werden. Ebenso argumentierten sie, dass die Beschleunigung normaler Materie über die Lichtgeschwindigkeit hinaus zwar mit der speziellen Relativitätstheorie unvereinbar sei, dies aber die Entstehung von Teilchen, die sich schneller als das Licht bewegen, nicht ausschließe. ^{[ 8 ]}

Der Begriff Tachyon wurde 1967 von Gerald Feinberg in seiner Arbeit „Possibility of faster-than-light particles“ geprägt. Er schlug vor, dass tachyonische Teilchen durch Anregungen eines Quantenfeldes mit imaginärer Masse entstehen könnten . ^{[ 8 ]} Inspiriert wurde er dabei von der Science-Fiction-Geschichte „Beep“ von James Blish . ^{[ 9 ]} Feinberg untersuchte die Kinematik solcher Teilchen im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie . In seiner Arbeit führte er auch Felder mit imaginärer Masse (heute ebenfalls als Tachyonen bezeichnet) ein, um den mikrophysikalischen Ursprung solcher Teilchen zu verstehen. Bald wurde jedoch klar, dass Feinbergs Modell weder überlichtschnelle Teilchen noch Signale ermöglichte und dass tachyonische Felder lediglich Instabilitäten, nicht aber Kausalitätsverletzungen hervorrufen. ^{[ 10 ]} Der Begriff „tachyonisches Feld“ bezieht sich auf Felder mit imaginärer Masse und nicht auf überlichtschnelle Teilchen. ^{[ 2 ] [ 11 ]}

Im September 2011 wurde berichtet, dass ein Tau-Neutrino sich schneller als das Licht bewegt habe; spätere Aktualisierungen des CERN zum OPERA-Experiment deuten jedoch darauf hin, dass die Überlichtgeschwindigkeitsmessungen auf einen Fehler im faseroptischen Zeitmesssystem des Experiments zurückzuführen waren. ^{[ 12 ]}

In der speziellen Relativitätstheorie besitzt ein Teilchen, das sich schneller als das Licht bewegt, einen raumartigen Viererimpuls ^{[ 8 ]} , im Gegensatz zu gewöhnlichen Teilchen mit einem zeitartigen Viererimpuls . Während einige Theorien die Masse von Tachyonen als imaginär annehmen , betrachten moderne Formulierungen ihre Masse häufig als real ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} und verwenden dafür neu definierte Formeln für Impuls und Energie. Da Tachyonen auf den raumartigen Bereich des Energie-Impuls-Diagramms beschränkt sind, können sie nicht auf unterlichtschnelle Geschwindigkeiten abgebremst werden ^{[ 8 ] .}

In einer Lorentz-invarianten Theorie müssen dieselben Formeln, die für gewöhnliche, langsamer als Lichtgeschwindigkeit bewegende Teilchen (in Diskussionen über Tachyonen manchmal Bradyonen genannt) gelten, auch für Tachyonen gelten. Insbesondere gilt die Energie-Impuls-Beziehung :

${\displaystyle E^{2}=(pc)^{2}+(mc^{2})^{2}\;}$

(wobei p der relativistische Impuls des Bradyons und m seine Ruhemasse ist ) sollte weiterhin gelten, ebenso wie die Formel für die Gesamtenergie eines Teilchens:

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

Diese Gleichung zeigt, dass die Gesamtenergie eines Teilchens (Bradyon oder Tachyon) sich aus seiner Ruhemasse (der „Ruhemasse-Energie“) und seiner Bewegungsenergie, der kinetischen Energie, zusammensetzt. Ist die Geschwindigkeit des Teilchens größer als die Lichtgeschwindigkeit, ist der Nenner der Energiegleichung imaginär , da der Wert unter der Wurzel negativ ist. Da die Gesamtenergie des Teilchens reell (und nicht komplex oder imaginär) sein muss, um als Messgröße praktisch sinnvoll zu sein, muss auch der Zähler imaginär sein (d. h. die Ruhemasse m muss imaginär sein, da das Verhältnis zweier rein imaginärer Zahlen reell ist). ${\displaystyle v}$${\displaystyle c}$

In einigen modernen Formulierungen der Theorie wird die Masse von Tachyonen als real betrachtet. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Ein bemerkenswerter Effekt ist, dass die Geschwindigkeit eines Tachyons – anders als bei gewöhnlichen Teilchen – mit abnehmender Energie zunimmt . Insbesondere nähert sie sich null, wenn gegen unendlich strebt. (Bei gewöhnlicher bradyonischer Materie nimmt die Geschwindigkeit mit zunehmender Geschwindigkeit zu und wird beliebig groß, wenn sich c der Lichtgeschwindigkeit nähert .) Daher können Tachyonen, genau wie Bradyonen die Lichtgeschwindigkeitsgrenze nicht durchbrechen, nicht unter c abgebremst werden , da unendlich viel Energie benötigt wird, um die Grenze von oben oder unten zu erreichen. ${\displaystyle E}$${\displaystyle v}$${\displaystyle E}$${\displaystyle v}$${\displaystyle c}$

Wie Albert Einstein , Richard C. Tolman und andere feststellten , impliziert die spezielle Relativitätstheorie , dass Teilchen, die sich schneller als das Licht bewegen, falls sie existieren würden, zur Kommunikation rückwärts in der Zeit genutzt werden könnten . ^{[ 16 ]}

1985 schlug Chodos vor, dass Neutrinos tachyonische Eigenschaften besitzen könnten. ^{[ 17 ]} Die Möglichkeit, dass sich Standardmodellteilchen mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, lässt sich mithilfe von Termen, die die Lorentz-Invarianz verletzen, modellieren, beispielsweise in der Standardmodell-Erweiterung . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} In diesem Rahmen erfahren Neutrinos Lorentz-verletzende Oszillationen und können sich bei hohen Energien schneller als Licht bewegen. Dieser Vorschlag wurde stark kritisiert. ^{[ 21 ]}

Wenn Tachyonen Informationen schneller als Licht übertragen können, verstoßen sie gemäß der Relativitätstheorie gegen die Kausalität, was zu logischen Paradoxien der Art „Töte deinen eigenen Großvater“ führt . Dies wird oft anhand von Gedankenexperimenten wie dem „Tachyonen-Telefon-Paradoxon“ ^{[ 16 ]} oder dem „logisch schädlichen Selbsthemmer“ ^{[ 22 ] veranschaulicht.}

Das Problem lässt sich anhand der Relativität der Gleichzeitigkeit in der speziellen Relativitätstheorie verstehen. Diese besagt, dass verschiedene Inertialsysteme unterschiedlicher Meinung darüber sind, ob zwei Ereignisse an verschiedenen Orten „gleichzeitig“ stattgefunden haben oder nicht, und sie können auch hinsichtlich der Reihenfolge der beiden Ereignisse voneinander abweichen. (Technisch gesehen treten diese Meinungsverschiedenheiten auf, wenn das Raumzeitintervall zwischen den Ereignissen „raumartig“ ist, d. h., wenn keines der Ereignisse im zukünftigen Lichtkegel des anderen liegt.) ^{[ 23 ]}

Wenn eines der beiden Ereignisse das Senden eines Signals von einem Ort und das zweite den Empfang desselben Signals an einem anderen Ort darstellt, so stellt die Mathematik der Gleichzeitigkeit sicher, dass alle Bezugssysteme übereinstimmen, dass das Sendeereignis vor dem Empfangsereignis stattfand, solange sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer bewegt. ^{[ 23 ]} Im Falle eines hypothetischen Signals, das sich schneller als das Licht bewegt, gäbe es jedoch immer Bezugssysteme, in denen das Signal empfangen wurde, bevor es gesendet wurde, sodass man sagen könnte, das Signal habe sich zeitlich rückwärts bewegt. Da eines der beiden fundamentalen Postulate der speziellen Relativitätstheorie besagt, dass die Gesetze der Physik in jedem Inertialsystem gleich gelten, muss es, wenn sich Signale in einem beliebigen Bezugssystem zeitlich rückwärts bewegen können, auch in allen anderen Bezugssystemen möglich sein. Das bedeutet: Sendet Beobachter A ein Signal an Beobachter B, das sich in As Bezugssystem schneller als das Licht, in Bs Bezugssystem jedoch rückwärts in der Zeit bewegt, und sendet B daraufhin eine Antwort, die sich in Bs Bezugssystem schneller als das Licht, in As Bezugssystem jedoch rückwärts in der Zeit bewegt, könnte A die Antwort empfangen, bevor er das ursprüngliche Signal sendet. Dies stellt die Kausalität in jedem Bezugssystem in Frage und öffnet die Tür für schwerwiegende logische Paradoxien. ^{[ 24 ]} Dieses Phänomen ist als tachyonisches Antitelefon bekannt .

Das Reinterpretationsprinzip ^{[ 8 ] [ 5 ] [ 25 ] : 6} besagt, dass ein in die Vergangenheit gesendetes Tachyon stets als ein in die Zukunft reisendes Tachyon reinterpretiert werden kann , da Beobachter nicht zwischen Emission und Absorption von Tachyonen unterscheiden können. Der Versuch, ein Tachyon aus der Zukunft zu detektieren (und damit die Kausalität zu verletzen), würde tatsächlich dasselbe Tachyon erzeugen und es in die Zukunft senden (was kausal ist).

Dieses Prinzip wird jedoch nicht allgemein als Lösung der Paradoxien akzeptiert. ^{[ 16 ] [ 24 ]} Um Paradoxien zu vermeiden, müsste vielmehr gelten, dass Tachyonen – anders als alle bekannten Teilchen – in keiner Weise wechselwirken und niemals nachgewiesen oder beobachtet werden können, da andernfalls ein Tachyonenstrahl moduliert und zur Erzeugung eines Anti-Telefons ^{[ 16 ]} oder eines „logisch schädlichen Selbstinhibitors“ ^{[ 22 ] verwendet werden könnte.}

In der modernen Physik werden alle fundamentalen Teilchen als Anregungen von Quantenfeldern betrachtet . Es gibt mehrere unterschiedliche Möglichkeiten, tachyonische Teilchen in eine Feldtheorie einzubetten.

In der Arbeit, die den Begriff „Tachyon“ prägte, untersuchte Gerald Feinberg Lorentz-invariante Quantenfelder mit imaginärer Masse . ^{[ 8 ]} Da die Gruppengeschwindigkeit eines solchen Feldes überlichtschnell ist , erscheint es zunächst so, als würden sich seine Anregungen schneller als Licht ausbreiten. Man erkannte jedoch schnell, dass die überlichtschnelle Gruppengeschwindigkeit nicht der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer lokalisierten Anregung (wie eines Teilchens) entspricht. Vielmehr stellt die negative Masse eine Instabilität gegenüber der Tachyonenkondensation dar , und alle Anregungen des Feldes breiten sich unterlichtschnell aus und sind mit der Kausalität vereinbar. ^{[ 26 ]} Obwohl sie sich nicht überlichtschnell ausbreiten, werden solche Felder in vielen Quellen einfach als „Tachyonen“ bezeichnet. ^{[ 11 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 2 ]}

Tachyonenfelder spielen eine wichtige Rolle in der modernen Physik. Das wohl bekannteste Beispiel ist das Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik , das in seiner unkondensierten Phase eine imaginäre Masse besitzt. Generell spielt das Phänomen der spontanen Symmetriebrechung , das eng mit der Tachyonenkondensation zusammenhängt, eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der theoretischen Physik, darunter die Ginzburg-Landau- und die BCS- Theorie der Supraleitung. Ein weiteres Beispiel für ein Tachyonenfeld ist das Tachyon der bosonischen Stringtheorie . ^{[ 27 ] [ 30 ]}

Tachyonen werden von der bosonischen Stringtheorie sowie den Neveu-Schwarz- (NS) und NS-NS-Sektoren vorhergesagt . Diese Sektoren stellen den offenen bzw. geschlossenen bosonischen Sektor der RNS-Superstringtheorie vor der GSO-Projektion dar . Aufgrund der Sen-Vermutung , auch bekannt als Tachyonenkondensation , sind solche Tachyonen jedoch nicht möglich. Dies führte zur Notwendigkeit der GSO-Projektion .

In Theorien, die die Lorentz-Invarianz nicht respektieren , stellt die Lichtgeschwindigkeit keine (notwendige) Grenze dar, und Teilchen können sich ohne unendliche Energie oder kausale Paradoxien schneller als das Licht bewegen. Eine Klasse solcher Feldtheorien wird als Standardmodell-Erweiterung bezeichnet . Da die experimentellen Belege für die Lorentz-Invarianz jedoch äußerst überzeugend sind, unterliegen diese Theorien starken Einschränkungen. ^{[ 31 ] [ 32 ] : 60}

Durch Modifizierung des kinetischen Feldterms lassen sich Lorentz-invariante Feldtheorien mit Anregungen erzeugen, die sich überlichtschnell ausbreiten. ^{[ 26 ] [ 33 ]} Allerdings besitzen solche Theorien im Allgemeinen kein wohldefiniertes Cauchy-Problem (aus Gründen, die mit den oben diskutierten Kausalitätsproblemen zusammenhängen) und sind wahrscheinlich quantenmechanisch inkonsistent.

Tachyonen tauchen in zahlreichen fiktionalen Werken auf. Sie dienen vielen Science-Fiction-Autoren als Standardmechanismus, um Überlichtgeschwindigkeitskommunikation zu ermöglichen, unabhängig davon, ob Kausalitätsfragen thematisiert werden. Der Begriff „ Tachyon“ ist mittlerweile so weit verbreitet, dass er selbst dann eine Science-Fiction-Konnotation hervorrufen kann, wenn das betreffende Thema keinen Bezug zu Überlichtgeschwindigkeit hat (eine Art Fachjargon , ähnlich dem Begriff „positronisches Gehirn “). ^{[ 34 ]}

• Lorentz-verletzende Neutrinooszillationen
• Retrokausalität
• Tachonic-Telefon
• Virtuelles Partikel
• Wheeler-Feynman-Absorbertheorie

• „Häufig gestellte Fragen zu Überlichtgeschwindigkeit (FTL)“ . Iowa State University . Archiviert vom Original am 21. November 2000.
• Weisstein, Eric Wolfgang (Hrsg.). „Tachyon“ . ScienceWorld .
• „Tachyonen“ . Mathematik. Physik FAQ / Teilchen- und Kernphysik. Riverside, Kalifornien: University of California .