Tachione

Iltachione(dalgrecoταχύςtachýs,"veloce" ) è una particella ipotetica aventemassaimmaginariaevelocità superiore a quella della luce.

La prima descrizione teorico-concettuale è attribuita adArnold Sommerfeld,mentre tentativi di interpretazione all'interno dellarelatività ristrettafurono compiuti daGeorge Sudarshannel 1962.Il termine "tachione" venne usato per la prima volta daGerald Feinbergnel 1964. Nella ricerca fisica moderna il concetto compare in vari contesti, in particolare nellateoria delle stringhe.

Il tachione viene spesso citato nellaletteratura fantascientifica,sebbene di solito con proprietà solo in parte corrispondenti a quelle scientifiche.

Proprietà di base

Rappresentazione grafica di un tachione.Dal momento che un tachione si muove più rapidamente della luce, non possiamo vederlo avvicinarsi. Dopo che ci ha superato, dovremmo vederne comparire due immagini, che si separano e allontanano in direzioni opposte. La linea nera è il fronte dell'onda d'urto dellaradiazione di Čerenkov,mostrata solo in un istante. Questo effetto di doppia immagine è più evidente per un osservatore che si trovi lungo il percorso di un oggetto più veloce della luce. L'immagine di destra è formata dalla luce spostata pereffetto Dopplerverso il blu che giunge all'osservatore posto al vertice dell'onda radiazione di Čerenkov; l'immagine di sinistra è formata dalla luce spostata per effetto Doppler verso il rosso che lascia l'oggetto dopo che questi ha superato l'osservatore.

L'ipotetica esistenza del tachione è compatibile con la teoria dellarelatività speciale,secondo la quale esso sarebbe una particella con unquadrimpulsodi tipo-spazio, relegata a una porzione tipo-spazio del grafico energia-momento; perciò non potrebbe mai rallentare alla velocità della luce o inferiore.

Se la suaenergiae la suaquantità di motofosseroreali,lamassa a ripososarebbeimmaginaria,oppure se la massa a riposo e la quantità di moto fossero reali, l'energia sarebbe immaginaria. È difficile interpretare il significato fisico di una massa di valorecomplesso.Un effetto curioso è che, a differenza delle particelle ordinarie, la velocità di un tachioneaumentaal 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. SecondoEinsteinlamassatotale di una particella rispetto ad un dato sistema di riferimento è la somma della sua massa a riposo e dell'incremento di massa dovuto all'energia cinetica.Semindica la massa a riposo, allora l'energia totale è data dalla relazione:

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

oppure:

$E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {{({1}+{\frac {v}{c}}})\cdot ({{1}-{\frac {v}{c}}})}}}$

Si consideri questa relazione valida sia per i tachioni sia per le particelle comuni ( "bradioni" o "tardioni" ). In situazioni ordinarie questa equazione mostra cheEaumenta all'aumentare della velocità, tendendo all'infinito quandovsi avvicina ac,lavelocità della luce.Invece semè un valore immaginario, il denominatore della frazione deve essere anch’esso immaginario affinché il valore dell'energia rimanga nel campo dei numeri reali, visto che un valore immaginario diviso per un altro immaginario ne dà uno reale. Il denominatore è immaginario se la quantità all'interno della radice è negativa, il che avviene sevè maggiore dic.Quindi per lo stesso motivo per cui per i bradioni è impossibile superare la barriera della velocità della luce, i tachioni non possono avere velocitàinferioria quella della luce.

L'esistenza di simili particelle pone degli interessanti problemi sulla fisica moderna. Si prendano per esempio le formule dellaradiazione elettromagneticae si supponga che un tachione abbia una carica elettrica (non è possibile stabilire a priori se un tachione è neutro o dotato di carica); allora un tachione in accelerazione dovrebbe generare onde elettromagnetiche come qualsiasi particella dotata di carica. Però, come si è visto, diminuendo l'energia di un tachione la sua velocitàaumentae quindi, in una situazione del genere, una piccola accelerazione ne produrrebbe una maggiore, portando ad un effetto a catena simile allacatastrofe ultravioletta.

Nel 1973Philip Croughe Roger Clay hanno annunciato una particella piùveloce della luceapparentemente dovuta ad un'ondata diraggi cosmici.L'osservazione non è stata né confermata né ripetuta.

Causalità

La proprietà dellacausalità,un principio fondamentale della fisica delle particelle, 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 lalinea degli eventidi una data quantità di materia ordinaria. Una particella potrebbe mandare energia o informazione nel suo passato, formando un cosiddettoloop causale.Questo porterebbe aparadossilogici come ilparadosso del nonno,a meno che la teoria non sia impostata in modo da prevenirli. Attualmente una simile soluzione non è conosciuta: per esempio, ilprincipio di auto consistenza di Novikovnon è stato ottenuto all'interno di unateoria quantistica dei campi,ma deve essere imposto. Come minimo il principio direlatività specialedovrebbe essere abbandonato. Secondo la teoria dellarelatività generaleè possibile costruire modelli dello spaziotempo in cui alcune particelle viaggino più veloci della luce relativamente ad un osservatore distante. Un esempio è lametrica di Alcubierre.Comunque queste non sono tachioni come i precedenti, in quanto localmente non superano la velocità della luce.

Tachioni, EPR, e la proposta di Bohm

Un'altra possibilità per risolvere i paradossi causali, proposta a suo tempo daDavid Bohmper trattare ilparadosso EPR,consiste nell'esigere l'esistenza di unsistema di riferimento privilegiatonel quale non si osservano mai segnali, pur superluminali, che si muovono indietro nelsuotempo relativo (a questo punto una specie ditempo universalein senso lato). In tal modo è 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 dieffetto ottico.Nel sistema di riferimento privilegiato non c'è 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. Si osservi che nel quadro dellarelatività ristrettasubluminale non sarebbe mai possibile scoprire un simile "etere", il moto rispetto al quale però potrebbe essere rivelato misurando in ogni direzione la massima velocità in quella particolare direzione di un segnale superluminale osservabile. In tal senso i tachioni causali, o gli effetti non locali dellameccanica quantistica,sono compatibili con la relatività ristretta in cui sia presente un "etere"sullo sfondo, infatti i due postulati dellaRelatività ristrettarimangono ancora validi, poiché la forma delle leggi naturali in forma differenziale non viene toccata (rimanendo così covarianti), ma viene aggiunta di fatto una condizione al contorno.

Evidenze sperimentali

La rivelazione del tachione può essere stata, nella storia della fisica, un interessante campo di ricerca, teorico e sperimentale. La fisica classica non prevede per una particella una velocità limite, prima della teoria della relatività speciale non si poteva escludere che qualche corpo potesse raggiungere una velocità illimitata, nei termini matematici di limite. Durante la fase in cui la fisica classica si evolse nell'attuale fisica moderna vi fu l'introduzione della teoria della relatività speciale di Albert Einstein. Uno dei cambi di paradigmi fu il passaggio dal concetto che la velocità di un corpo potesse tendere all'infinito nel limite in cui la velocità massima consentita sia quella della luce nel vuoto. Non potendo essere immediatamente verificata sperimentalmente, furono molti i tentativi di mistificare l'affermazione che ammetterebbe l'esistenza di una velocità limite.

Molti degli scienziati protagonisti dell'evoluzione scientifica che portò alla formazione della fisica moderna proposero ipotesi teoriche e apparati sperimentali riguardanti l'esistenza o la rilevazione di un impulso, come una particella, che potesse superare, localmente, la velocità della luce: il tachione.

Malgrado l'elevato interesse scientifico e divulgativo che tale scoperta porterebbe con sé, è da far notare che la maggior parte della comunità scientifica non considera più, attualmente, il tachione come una particella da scoprire, bensì è considerato un errore legato alla soluzione di una categoria di equazioni, che come spesso accade in fisica, hanno un significato matematico ma non un corrispondente significato che descriva la realtà.

Oltre a non esserci prove scientifiche che dimostrino la sua esistenza, non risultano significativi apparati di ricerca sperimentali che hanno come scopo primario la rivelazione di tale particella ipotetica.

Teorie dei campi e delle stringhe

Nellateoria quantistica dei campiun tachione è unquantodi uncampo,solitamente uncampo scalare,la cuimassaal quadrato è negativa, quindi è espressa da unnumero immaginario.L'esistenza di una particella simile comporta l'instabilità dello spazio-tempo vuoto poiché l'energia del vuotopresenta un massimo piuttosto che un minimo, per lo meno rispetto alla direzione del tachione. Un impulso molto piccolo, anche una normalefluttuazione quantistica,condurrà il campo a crollare con un accrescimento esponenziale delle altezze, inducendo la condensazione tachionica. Ilmeccanismo di Higgsè un esempio elementare, ma importante per capire che una volta che il campo tachionico ha raggiunto il potenziale minimo, cioè ha subito il processo di condensazione, i suoi quanti non sono più tachioni mabosoni di Higgs,che hanno massa positiva. È importante sottolineare che anche per icampi quantisticitachionici gli operatori di campocommutanoo anticommutano a punti separati tipo-spazio.

I tachioni compaiono in molte versioni dellateoria delle stringhe,in particolare nelleteorie bosoniche.In questa teoria, le particelle corrispondono astringheche vibrano in modi particolari, e tali vibrazioni hanno effetto sulla massa della particella corrispondente; in particolare, una di queste vibrazioni corrisponde a una massa immaginaria, che si interpreta come un tachione. In una generalizzazione della teoria, nota cometeoria delle superstringhe,non ci sono modi di vibrazione che corrispondono a tachioni.

I tachioni nella fantascienza

A causa della loro natura misteriosa e in particolare della caratteristica di muoversi a velocitàsuperluminali,i tachioni hanno spesso stimolato l'immaginazione degli autori difantascienza:in numerose storie, infatti, sono utilizzati come mezzo per effettuare comunicazioni più veloci della luce o sono parte di qualche tecnologia per ilviaggio nel tempo.

• NelfilmTomorrowlandi tachioni vengono usati per osservare qualsiasi luogo in qualsiasi momento.
• Sono citati in molteserie fantascientifichecomeStar Trek,EurekaoBabylon 5e nei fumettiPK - Paperinik New AdventuresdellaThe Walt Disney Company Italia.In particolare nell'episodioIl vascello solaredella serieStar Trek: Deep Space Nineil protagonistaBenjamin Siskodimostra che una razza aliena, iBajoriani,avevano costruito una nave spaziale a vela funzionante a vento solare, in cui i tachioni, investendo le vele, riuscivano a portarla avelocità curvatura.
• I tachioni sono particelle necessarie per realizzare iviaggi nel tempocome inLe porte di AnubisdiTim Powerso inTimescapediGregory Benford.
• I tachioni rappresentano inoltre la pressoché unica debolezza dell'onnipotenteDottor Manhattan,personaggio dell'universoWatchmen.
• Nella Stagione 6 dellaserie TV"The Flash",Eobard Thawneritorna sotto forma di tachioni negativi, fuso con Nash Wells subito dopo laCrisi.
• Nel filmLand of the Lost(regia diBrad Silberling), tratto della serie TVLa valle dei dinosauridel 1974, il protagonista dott. Rick Marshall (interpretato daWill Ferrell), utilizza i tachioni per aprire un varco spazio-temporale verso un'altra dimensione.

Bibliografia

• Erasmo Recami,I tachioni,inScienza & tecnica 73. Annuario della EST,Milano, Edizioni scientifiche e tecniche Mondadori, 1973, pp. 85–94
• "Einstein-Podolsky-Rosen Correlations of Spin Measurements in Two Moving Inertial Frames", J. Rembielinski, K. Smolinski, Phys. Rev. A 66, 052114 (2002)(PDF), suarxiv.org.
• "Tachyons and the preferred frames" J. Rembielinski, Int.J.Mod.Phys. A12 (1997) 1677-1710(PDF), suarxiv.org.

Voci correlate

• D-brane
• Velocità superluminale
• Materia esotica

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Collegamenti esterni

• (EN)The Faster Than Light (FTL) FAQ,supublic.iastate.edu.URL consultato il 4 maggio 2019(archiviato dall'url originaleil 21 novembre 2000).
• (EN)Superluminal,suscienceworld.wolfram.com.
• Tachioni più veloci della luce?,sucosediscienza.it.URL consultato il 4 maggio 2011(archiviato dall'url originaleil 27 aprile 2011).