Tachione
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Il tachione (dal greco ταχύς {tachýs}, "veloce") è una particella ipotetica che viaggia ad una velocità superiore di quella della luce. La prima descrizione teorica dei tachioni è attribuita al fisico Arnold Sommerfeld. Nella ricerca fisica moderna, il concetto viene ripreso in vari altri contesti, come la teoria delle stringhe.
Nel linguaggio della relatività speciale, un tachione è una particella con un quadri-impulso di tipo-spazio. Un tachione è relegato ad una porzione tipo-spazio del grafico energia-momento. Perciò non può mai rallentare alla velocità della luce o inferiore. Ai tachioni sono state attribuite parecchie proprietà stravaganti, alcuni delle quali trovano posto nella fantascienza.
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[modifica] Proprietà di base
Come si è detto precedentemente, il tachione è una particella con un spazio simile al four-momentum. Se la sua energia e la sua quantità di moto sono reali, la sua massa a riposo è immaginaria. È difficile interpretare il significato fisico di una massa di valore complesso. Un effetto curioso è che, a differenza delle particelle ordinarie, la velocità di un tachione aumenta al diminuire della sua energia. Questa è una conseguenza della relatività ristretta in quanto il tachione, in teoria, ha una massa che elevata al quadrato è negativa. Secondo Einstein, la massa totale di una particella è la somma della sua massa a riposo e della sua energia cinetica. Se m indica la massa a riposo, allora la massa totale è data dalla relazione:
Consideriamo questa relazione come valida sia per i tachioni che per le particelle comuni ("bradioni"). In situazioni ordinarie, questa equazione mostra che E aumenta all'aumentare della velocità, tendendo all'infinito quando v si avvicina a c, la velocità della luce. Se m è immaginario, invece, il denominatore della frazione deve essere immaginario per mantenere l'energia reale (visto che un immaginario diviso per un altro immaginario dà un reale). Il denominatore è immaginario se la quantità all'interno della radice è negativa, il che avviene se v è maggiore di c. Quindi, allo stesso modo in cui per i tardioni è impossibile superare la barriera della velocità della luce, lo stesso vale per i tachioni, che non possono avere velocità inferiori a quella della luce.
L'esistenza di simili particelle pone degli interessanti problemi sulla fisica moderna. Ad esempio, prendiamo le formule della radiazione elettromagnetica e supponiamo che un tachione abbia una carica elettrica (non possiamo dire a priori se un tachione sia neutro o dotato di carica); allora un tachione in accelerazione dovrebbe generare onde elettromagnetiche, come qualsiasi particella dotata di carica. Però, come abbiamo visto, diminuendo l'energia di un tachione la velocità aumenta, e quindi in una situazione del genere una piccola accelerazione ne produrrebbe una maggiore, portando ad un effetto a catena simile alla catastrofe ultravioletta.
Nel 1973 Philip Crough e Roger Clay hanno annunciato una particella più veloce della luce apparentemente dovuta ad un'ondata di raggi cosmici (l'osservazione non è stata né confermata né ripetuta) [1].
[modifica] Causalità
La proprietà della causalità, un principio fondamentale della fisica delle particelle teoretica, pone un problema per l'esistenza fisica dei tachioni. Se un tachione esistesse e potesse interagire con la materia ordinaria, la causalità potrebbe essere violata: a grandi linee, non ci sarebbe più modo di distinguere la differenza tra il futuro e il passato lungo la linea degli eventi di una data quantità di materia ordinaria. Una particella potrebbe mandare energia o informazione nel suo passato, formando un cosiddetto loop causale. Questo porterebbe a paradossi logici come il paradosso del nonno, a meno che la teoria non sia impostata in modo da prevenirli. Attualmente una simile soluzione non è conosciuta: per esempio, il principio di autoconsistenza di Novikov non è stato ottenuto all’interno di una teoria quantistica dei campi, ma deve essere imposto. Come minimo il principio di relatività speciale dovrebbe essere abbandonato. Secondo la teoria della relatività generale, è possibile costruire modelli dello spaziotempo in cui alcune particelle viaggino più veloci della luce relativamente ad un osservatore distante. Un esempio è la metrica di Alcubierre. Comunque, questi non sono tachioni come i precedenti, in quanto localmente non superano la velocità della luce.
[modifica] Tachioni, EPR, e la proposta di Bohm
Un'altra possibilita` per risolvere i paradossi causali, proposta a suo tempo da David Bohm per trattare il paradosso EPR, consiste nell' esigere l'esistenza di un sistema di riferimento privilegiato nel quale non si osservano mai segnali, pur superluminali, che si muovono indietro nel suo tempo relativo (a questo punto una specie di tempo universale in senso lato). In tal modo e` impossibile creare loop temporali, in qualsiasi sistema di riferimento. L'apparente moto indietro nel tempo di alcuni segnali diverrebbe in tal caso soltanto una specie di effetto ottico. Nel sistema di riferimento privilegiato, non c'e' alcun moto indietro nel tempo. Questo ha come conseguenza che osservatori in moto rispetto al sistema di riferimento privilegiato non possono vedere ed emettere segnali arbitrari, ma solo quelli superluminali che si muovono in avanti nel tempo per il sistema di riferimento privilegiato. Vale la pena di osservare che nel quadro della Relatività ristretta subluminale, non sarebbe mai possibile scoprire un simile "etere", il moto rispetto al quale pero` potrebbe essere rivelato misurando in ogni direzione la massima velocita` (in quella particolare direzione) di un segnale superluminale osservabile. In tal senso i tachioni causali (o gli effetti non locali della meccanica quantistica) sono compatibili con la relativita` ristretta in cui sia presente un "etere" sullo sfondo, infatti i due postulati della Relatività ristretta, rimangono ancora validi, poiche` la forma delle leggi naturali in forma differenziale non viene toccata (rimanendo cosi` covarianti), ma viene aggiunta di fatto una condizione al contorno.
[modifica] Bibliografia
- "Einstein-Podolsky-Rosen Correlations of Spin Measurements in Two Moving Inertial Frames", J. Rembielinski, K. Smolinski , Phys. Rev. A 66, 052114 (2002)
- "Tachyons and the preferred frames" J. Rembielinski , Int.J.Mod.Phys. A12 (1997) 1677-1710
[modifica] Teorie di campo e delle stringhe
Nella teoria quantistica dei campi, un tachione è un quanto di un campo — solitamente un campo scalare — la cui massa al quadrato è negativa. L'esistenza di una particella simile comporta l'instabilità dello spazio-tempo vuoto poiché l'energia del vuoto presenta un massimo piuttosto che un minimo (per lo meno rispetto alla direzione del tachione). Un impulso molto piccolo condurrà il campo a crollare con un accrescimento esponenziale delle altezze: indurrà la condensazione tachionica. Il meccanismo di Higgs è un esempio elementare, ma importante, per capire che una volta che il campo tachionico ha raggiunto il potenziale minimo, i suoi quanti non sono più tachioni, ma piuttosto bosoni di Higgs che hanno una massa positiva
È importante capire che anche per campi quantistici tachionici, gli operatori di campo commutano (o anticommutano) ancora a punti separati tipo-spazio.
I tachioni compaiono in molte versioni della teoria delle stringhe. In generale, la teoria delle stringhe dice che ciò che vediamo come "particelle" — elettroni, fotoni, gravitoni e così via — sono in realtà diversi modi di vibrare delle stesse strutture fondamentali, le stringhe. La massa di una particella può essere dedotta dalle vibrazioni della stringa; come dire che la massa dipende dalla "nota" suonata dalla stringa. I tachioni appaiono spesso nello spettro dei possibili stati delle stringhe, nel senso che alcuni stati hanno il quadrato della massa negativa, e quindi massa immaginaria: un esempio è lo stato fondamentale della stringa bosonica.
[modifica] I tachioni nella fantascienza
A causa della loro natura misteriosa, e soprattutto della caratteristica di muoversi a velocita' maggiore di quella della luce, i tachioni hanno spesso stimolato la fantasia di autori di fantascienza.
Generalmente infatti, i tachioni sono dei meccanismi su cui alcuni autori della science fiction per effettuare comunicazioni più veloce della luce, con o senza riferimenti a risultati di casualità. Per esempio, nella serie televisiva Babylon 5, i tachioni sono usati per comunicazioni in tempo reale su lunga distanza. Un altro esempio è il romanzo di Gregory Benford Timescape, vincitore del Nebula Award, che implica l’uso di tachioni per trasmettere un massaggio di salvezza indietro nel tempo. Altrettanto, il film horror di John Carpenter Prince of Darkness usa tachioni per spiegare come gli umani del futuro inviano messaggi indietro attraverso il tempo per avvertire i personaggi della catastrofe imminenete.
Nell’universo della serie Star Trek, i tachioni sono frequentemente invocati per spiegare alcuni aspetti del sistema di occultamento romulano. Le navi con questo dispositivo sono state intercettate guardandole passare attraverso un fascio di tachioni, creando essenzialmente un allarme antiladro più veloce della luce (le navi che utilizzano dispositivi di occultamento sono anche implicati nella produzione ed emissioni residue di tachioni, come nel film Star Trek: La nemesi). I tachioni sono inoltre tra le ipotetiche particelle frequentemente invocate nella treknobabble, spesso come un deus ex machina usate per sostenere la trama.
Il romanzo di Tim Powers The Anubis Gates, vincitore dell’Apollo Award nel 1987, implica l’uso dei tachioni per dare avvio ai viaggi nel tempo.
I fan del classico Anime Possono associare i tachioni con la sorgente di energia per la pistola a moto ondulare e il motore a moto ondulare in Space Battleship Yamato (Starblazers negli Stati Uniti).
Il classico romanzo illustrato di Alan Moore The Watchmen ha per protagonista un personaggio che usa "una grandine di tachioni" trasmettendola dallo spazio per confondere la mente della sola persona sulla Terra capace di vedere nel futuro.
Nella serie a fumetti della Walt Disney "PKNA - Paperinik New Adventures" i viaggi nel tempo sono resi possibili grazie alle "cronovele", dei congegni creati nel XXIII° secolo che consentono di viaggiare nel passato e nel futuro utilizzando i tachioni.
Il romanzo di Isaac Asimov Foundation's Edge porta i tachioni nella sua discussione sui viaggi più veloce della luce, dove sono delle particelle che esistono nell’iperspazio.
Il romanzo di Mario Puzo "The Fourth K" usa tachioni come argomento per la costituzione di nuove procedure scientifiche.
[modifica] Voci correlate
- superbradyon, un'altra classe di particelle dalla velocità superiore a quella della luce
- Poincaré group
- D-brane
