Táquion

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Um táquion (português brasileiro) ou taquião (português europeu) (do grego ταχυόνιον, takhyónion, de ταχύς, takhýs, i.e. "rápido", "veloz") é uma partícula hipotética cuja velocidade excede a velocidade da luz (v > c) [1]. Embora não seja possível acelerar uma partícula com massa até que ela atinja a velocidade da luz segundo a Teoria da Relatividade Especial[2][3], a mesma não impede a existência de partículas com velocidade superior à da luz em seu estado natural.

A primeira descrição dos táquions é atribuída ao físico alemão Arnold Sommerfeld; no entanto foram George Sudarshan, Olexa-Myron Bilaniuk[4][5], Vijay Deshpande[5] e Gerald Feinberg[6] (que originalmente cunhou o termo da década de 1960) os primeiros a avançarem nos estudos de suas bases teóricas. A teoria dos táquions foi em seguida desenvolvida nos anos 70 e 80 por diversos físicos, sobretudo por Erasmo Recami[7]. Recentemente, o assunto voltou a despertar interesse após os trabalhos de Hill e Cox[8] e de Vieira[9]. Campos taquiônicos aparecem em vários contextos, tal como a Teoria das Cordas.

Se táquions fossem convencionais, seriam partículas localizáveis (detectáveis) que poderiam ser usadas para enviar sinais mais rápidos do que a luz (FTL, do inglês faster than light). Pode-se assim pensar que a existência de táquions implicaria uma violação da Causalidade em Relatividade Especial, mas uma análise mais profunda mostra que este não é o caso[7][9]. (Veja também sobre o Paradoxo de Tolman[10] mais abaixo). Além disso, no âmbito da Teoria Quântica de Campos, táquions são entendidos como significando uma instabilidade do sistema e tratados como condensação de táquions, ao invés de partículas reais mais rápidas que a luz, e instabilidades, como são descritas por campos taquiônicos.

Campos taquiônicos apareceram teoricamente em uma variedade de contextos, como a teoria das cordas bosônicas. De acordo com o contemporâneo e amplamente aceito na compreensão do conceito de uma partícula, as partículas táquion são demasiado instáveis para serem tratadas como existentes.[11] Por essa teoria, a transmissão de informações mais rápida que a luz e a violação de causalidade com táquions são impossíveis.

Apesar dos argumentos teóricos contra a existência de partículas táquion, pesquisas experimentais têm sido conduzidas para testar a hipótese contra a sua existência, porém, nenhuma evidência experimental a favor ou contra a existência de partículas táquion foi encontrada.[12]

Se os taquiões existissem e fosse possível usá-los para transmitir informação, então eles poderiam ser usados para transmitir informação para trás no tempo, um tipo de viagem no tempo da informação. Este resultado é conhecido como Paradoxo de Tolman[10]. No entanto, aplicando resultados da mecânica quântica, é possível mostrar que se os taquiões existem, então uma das duas hipóteses necessariamente deve ser válida: ou eles estão localizados, mas neste caso a informação transmitida por eles viaja com v < c, ou eles carregam informações com v > c, mas neste caso eles não são localizados; em ambas hipóteses, taquions não servem para carregar informações com v > c[1].

Observação de um táquion[editar | editar código-fonte]

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Se um táquion sempre se move mais rápido do que a luz, não é possível vê-lo aproximar-se. Após ter passado perto, ver-se-iam duas imagens suas, aparecendo e partindo em sentidos opostos. A linha preta é a onda de choque de radiação Cherenkov, mostrada apenas num instante do tempo. Esse duplo efeito de imagem é mais importante para um observador situado no caminho de um objeto superluminal (neste exemplo uma esfera, mostrada em cinza). O objeto azulado à direita é a imagem formada pela luz azul doppler-deslocada que chega ao observador — localizado no vértice das -linhas pretas Cherenkov — a partir da esfera que se aproxima. O objeto avermelhado à esquerda é formado a partir da luz vermelha doppler-deslocada que sai da esfera que passa após o observador. Já que o objeto chega antes da luz, o observador nada vê até que a esfera comece a transmitir ao observador, após o qual a imagem-como-vista-pelo-observador divide-se em duas — uma, a partir da esfera que chega (à direita) e outra a partir da esfera que parte (à esquerda).

Dado que um táquion se move mais rápido que a velocidade da luz, não podemos vê-lo se aproximando. Depois de um táquion ter passado, seríamos capazes de ver duas imagens, aparecendo e que partem em direções opostas (imagem). Na figura à direita, a linha preta é a onda de choque da radiação de Cherenkov, aparece apenas em um momento do tempo. Este efeito de dupla imagem é mais importante para um observador situado no caminho de um objeto FTL (neste exemplo uma esfera, mostrada em cinza). No sentido da direita a forma azulada é a imagem formada pela luz azul com deslocamento Doppler que chega ao observador que está localizado no vértice das linhas negras de Cherenkov da esfera FTL a medida que se aproxima. No sentido esquerdo a imagem avermelhada é formada a partir da luz com desvio para o vermelho que sai da esfera depois que ela passa pelo observador. Como o objeto chega antes que o observador não vê qualquer luz até a esfera começar a passar o observador, após o qual a imagem como vista pelo observador divide-se em duas: uma a esfera de chegada (à direita) e outra a esfera partindo (à esquerda).

Evidências experimentais[editar | editar código-fonte]

Apesar dos argumentos teóricos contra a existência dos táquions, algumas pesquisas experimentais têm sido realizadas para testar esta hipótese, mas sem sucesso comprovado até o momento.

Em setembro de 2011, no entanto, um grupo de cientistas envolvidos com o experimento OPERA declarou que medições de velocidade sobre feixes de neutrinos enviados entre o laboratório do CERN na Suiça e o laboratório INFN, em Gran Sasso, na Itália, parecem exceder, em 20 partes por milhão, a velocidade da luz, o limite teórico estabelecido pela Teoria da Relatividade.[13]. Por precaução, os cientistas do CERN-OPERA abstiveram-se até agora de tirar conclusões definitivas a respeito da suposta anomalia detectada pelo experimento, solicitando que outros grupos de cientistas verifiquem independentemente os resultados obtidos.

Entretanto em março de 2012 os cientistas do mesmo experimento reportaram dois defeitos na configuração dos equipamentos – um cabo de fibra ótica mal encaixado e um relógio oscilatório rápido demais – que causaram o erro do cálculo da velocidade.[14]

Táquions na Teoria Relativista[editar | editar código-fonte]

Na relatividade special, uma partícula mais rápida que a luz teria um momentum espacial quaternário, em contraste com as partículas "normais" que tem momentum temporal quaternário. Apesar de que em algumas teorias a massa dos táquions é levada como imaginária, em algumas formulações modernas a massa é considerada real[15][16][17], as fórmulas para o momentum e energia foram redefinidas para isso. Além disso, visto que táquions estão restringidos para a porção espacial da gráfico energia-momentum, este não poderia desacelerar para velocidades subliminares.[18]

Massa[editar | editar código-fonte]

Principais artigos:  Mass § Tachyonic particles and imaginary (complex) mass, and Tachyonic field

Na teoria invariante de Lorentz, as mesmas fórmulas aplicadas para ordinárias partículas mais lentas que a velocidade da luz (as vezes chamados de "bradions" em discussões de táquions) devem ser aplicadas para táquions. Em particular a relação energia-momentum:

E2 = (pc)2 + (mc2)2

(onde p é o momentum relativista do brandion e m é sua massa restante) deveria ainda aplicar-se com a fórmula da energia total de uma partícula:

E = mc2 . (√1 - v2/c2)-1.

Esta equação mostra que a energia total de uma partícula (brandion ou táquion) contém uma contribuição de sua massa restante e uma contribuição de seu movimento, a energia cinética. Quando v é maior que c, o denominador na equação para a energia é "imaginário", como o valor abaixo do radical é negativo. Pois a energia total deve ser real, o numerador deve também ser imaginário; i.e. a massa restante m deve ser imaginária, como um puro número imaginário dividido por outro puro número imaginário resulta em um número real.

Note que em algumas formulações modernas da teoria, a massa dos táquions é reconhecida como real.[15][16][17]

Velocidade[editar | editar código-fonte]

Um efeito curioso é que, diferente de partículas ordinárias, a velocidade de um táquion aumenta enquanto sua energia decresce. Em particular, E aproxima-se de zero quando v aproxima-se do infinito. (Para simples matéria brandiônica, E aumenta com sua velocidade, tornando-se arbitrariamente larga enquanto v aproxima-se de c, a velocidade da luz). Portanto, assim como bradions são proibidos de quebrar a barreira da velocidade da luz, táquions não podem desacelerar para velocidades abaixo de c, pois energia infinita é requerida para alcançar a barreira tanta abaixo quanto acima.

Como notado por Einstein, Tolman, e outros, a Teoria da Relatividade Especial implica que partículas mais rápidas que a luz, se existissem, poderiam ser utilizadas para uma comunicação temporário para o passado.[19]

Neutrinos[editar | editar código-fonte]

Em 1985, Chodos propôs que neutrinos podem ter uma natureza[20] taquiônica. A possibilidade de partículas de modelo padrão movendo=se a velocidades mais rápidas que a da luz pode ser simuladas usando os termos de violação invariantes de Lorentz, como exemplo na Entensão do Modelo Padrão. Neste modelo, neutrinos experimentam oscilações violantes de Lorentz e podem viajar mais rapidamente do que a luz à altas energias. Tal proposta foi severamente criticada.[21]

Radiação de Cherenkov[editar | editar código-fonte]

Um táquion com alguma carga elétrica perderia energia como a radiação Cherenkov[22] - assim como partículas ordinárias cargadas fazem quando estas ultrapassam a velocidade da luz local em média. Um táquion cargado viajando no vácuo portanto suporta uma aguda aceleração temporal constante e, por necessidade, sua linha universal forma uma hipérbole na espaço-tempo. Contudo reduzindo a energia de um táquion aumenta sua velocidade, de forma que a única hipérbole formada é de dois táquions cargados opostos com momentos opostos (mesma magnitude, sinais opostos) os quais aniquilam-se quando ambos simultaneamente atingem velocidade infinita no mesmo lugar do espaço. (Em velocidade infinita, ambos táquions não tem energia e momentum finitos de direções opostas, então nenhuma lei de conservação é violada em sua aniquilação mútua. O tempo da aniquilação é dependente da ordem.)

Até um táquions eletricamente neutro seria esperado que perdesse energia via radiação Cherenkov gravitacional, pois tal tem uma massa gravitacional, e portanto aumenta sua velocidade enquanto viaja, como descrito acima. Se o táquion interfere com qualquer outra partícula, esta também pode irradiar energia Cherenkov nestas partículas. Neutrinos interagem com as outras partículas do Modelo Padrão, e Andrew Cohen e Sheldon Glashow recentemente usaram isto para argumentarem que a anomalia de um neutrino mais veloz que a luz não pode ser explicado fazendo neutrinos propagar-se mais rapidamente que a luz, e sim devem ter sido um erro do experimento.[23]

Causalidade[editar | editar código-fonte]

Causalidade é um fundamental princípio da física. Se táquions podem transmitir informações mais rápido que a luz, então de acordo com a relatividade eles violam a causalidade, conduzindo à paradoxos lógicos de tipo "mate seu avô". Este é frequentemente ilustrado com experimentos mentais como o "paradoxo do telefone táquion" ou "logicamente noviço inibidor".[24]

O problema pode ser entendido em termos da relatividade da simultaneidade na Teoria da Relatividade Geral, a qual cita que diferentes ordem referentes à inércia irão descordar na caso de dois eventos em localizações diferentes ocorrerem "ao mesmo tempo" ou não, e eles podem também discordar da ordem dos dois eventos (tecnicamente, tais discordâncias ocorrem quando o intervalo do espaço-tempo entre os eventos é "espacial", significando que nenhum dos eventos jaze no cone de luz futurista do outro.)

Se um dos dois eventos representa o envio do sinal de uma localização e o segundo evento representa a recepção do mesmo sinal em outra localização, então enquanto o sinal movimenta-se na velocidade da luz ou mais lentamente, a matemática da simultaneidade afirma que todos as ordem referenciais concordam que a transmissão-evento ocorreram antes da recepção-evento. Contudo, no caso de um sinal hipotética movimentando-se mais rapidamente que a luz, ali haveria sempre algumas ordens nas quais o sinal seria recebido antes de houver sido enviado, para que o sinal pudesse ser dito ter movimentado-se para o passado no tempo[25]. Devido a um dos dois fundamentos do postulados da relatividade especial dizer que as leis da física trabalhariam da mesma maneira em qualquer ordem inércia, se é possível para sinais voltarem no tempo em qualquer outra ordem, isto deve ser possível em qualquer ordem. O que significa que se um observador A envio um sinal para um observador B que move-se mais rapidamente que a luz na ordem de A mas volta no tempo para a ordem de B, e então B envia uma resposta que move-se mais rápido que a luz na ordem de B, mas volta no tempo na ordem de A, isto poderia ocorrer de tal modo que A receba a resposta antes de enviar o sinal original, desafiando causalidade em todas as ordens e abrindo a porta para severos paradoxos lógicos[26]. Detalhes matemáticos podem ser encontrados na artigo da Antitelefone Taquiônico, e uma ilustração de tal cenário usando diagramas espaço temporais pode ser encontrada em Baker, R. (2003).[27]

Referências

  1. a b Tachyons, por Scott I. Chase, site do Departamento de Matemática da University of California, Riverside
  2. Johri, V.B.; Srivastava, S.K. (1980). «On the existence of tachyons in a bradyon-dominated universe». International Journal of Mathematics and Mathematical Sciences [S.l.: s.n.] 8: 389. doi:10.1155/S0161171285000400. 
  3. Bisht, P.S.; Negi, O.P.S. (2008). «Supersymmetric Partners In T4 Space». arXiv:hep-th/0607213 [hep-th]. 
  4. Bilaniuk; George Sudarshan (1969). «Particles beyond the Light Barrier». Physics Today [S.l.: s.n.] 
  5. a b Bilaniuk; Deshpande, George Sudarshan (1962). «Meta Relativity». American Journal of Physics [S.l.: s.n.]: 718ff. 
  6. Feinberg, Gerald (1967). «Possibility of Faster-Than-Light Particles». Physical Review [S.l.: s.n.] 159: 1089–1105. 
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  8. Hill, James M., and Barry J. Cox. "Einstein's special relativity beyond the speed of light." Proc. R. Soc. A. The Royal Society, 2012.
  9. a b Vieira, R. S. "An introduction to the theory of tachyons." Rev. Bras. Ens. Fís. Vol. 34. Issue 3 (2012), pp. 1-15.http://arxiv.org/abs/1112.4187
  10. a b G. A. Benford, D. L. Book, and W. A. Newcomb; The Tachyonic Antitelephone; Phys. Rev. D 2, 263–265
  11. Peskin, Michael E.; and Schroeder, Daniel V. (1995) An Introduction to Quantum Field Theory, Perseus books publishing.
  12. "Feinberg, Gerald (1997). "Tachyon" article in Encyclopedia Americana, Grolier Incorporated, vol. 26, p. 210.
  13. «Neutrinos podem ter viajado mais rápido do que a luz». 23 de Setembro de 2011.  Parâmetro desconhecido |portal= ignorado (Ajuda)
  14. Strassler, M. «"OPERA: What Went Wrong"» (em inglês). 
  15. a b Recami, E ((1978-1999)). Classical tachyons and possible applications La Revista del Nuovo Cimento [S.l.] pp. 1–178. 
  16. a b Vieira, R. S. An Introduction to the theory of tachyons Rev. Bras. Ens. Fis. [S.l.] 
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  18. Feinberg, G. (1967). Possibility of Faster-Than-Light Particles Physical Review [S.l.] pp. 1089–1105. 
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