Ruch z prędkością przekraczającą prędkość światła to jedno z najbardziej kontrowersyjnych zagadnień w fizyce. Hipotetyczne cząstki, które mogłyby poruszać się z prędkością nadświetlną, zwane tachionami (z greckiego tachýs – szybki, prędki) do niedawna były powszechnie uważane za twory nie mieszczące się w szczególnej teorii względności. W opublikowanej w „Physical Review D” pracy fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego i University of Oxford wykazano jednak, że wiele z tych uprzedzeń było pozbawione podstaw. Tachiony nie tylko nie są wykluczone przez tę teorię, ale pozwalają lepiej zrozumieć jej strukturę przyczynową.
Znane były przynajmniej trzy powody nieistnienia tachionów w ramach teorii kwantowej. Pierwszy: stan podstawowy pola tachionowego miał być niestabilny, co oznaczałoby, że takie cząstki nadświetlne tworzyłyby się lawinowo same z siebie.
Drugi: zmiana obserwatora inercjalnego miała prowadzić do zmiany liczby cząstek obserwowanych w jego układzie odniesienia, a przecież istnienie np. siedmiu cząstek nie może zależeć od tego, kto na nie patrzy.
Trzeci powód: energia cząstek nadświetlnych mogłaby przyjmować wartości ujemne.
Tymczasem grono autorów: Jerzy Paczos, realizujący doktorat na Uniwersytecie w Sztokholmie, Kacper Dębski, kończący doktorat na Wydziale Fizyki UW, Szymon Cedrowski, student ostatniego roku Physics (Studies in English) tego Wydziału oraz dr Szymon Charzyński, dr hab. Krzysztof Turzyński, prof. Andrzej Dragan z Wydziału Fizyki UW oraz prof. Artur Ekert z Uniwersytetu w Oksfordzie wskazali właśnie, że dotychczasowe trudności z tachionami miały wspólną przyczynę.
Okazało się, że „warunki brzegowe” określające przebieg procesów fizycznych obejmują nie tylko stan początkowy, lecz także stan końcowy układu. Czyli, aby obliczyć prawdopodobieństwo procesu kwantowego z udziałem tachionów należy znać nie tylko jego przeszły stan początkowy, ale również przyszły stan końcowy. Po uwzględnieniu tego faktu w teorii wszystkie wymienione wcześniej trudności całkowicie zniknęły a teoria tachionów nabrała matematycznej spójności. Rezultaty prac międzynarodowego zespołu badaczy ukazały się w „Physical Review D”.
Mieszając przeszłość z przyszłością
- Jest trochę jak w reklamach internetowych — jeden prosty trick pozwala rozwiązać twoje problemy - mówi Andrzej Dragan, spiritus movens całego przedsięwzięcia badawczego. – Idea, że przyszłość może mieć wpływ na teraźniejszość zamiast teraźniejszości determinującej przyszłość nie jest w fizyce nowa. Jednak dotąd tego typu spojrzenie było co najwyżej nieortodoksyjną interpretacją niektórych zjawisk kwantowych, a tym razem do takiego wniosku zmusiła nas sama teoria. Żeby „zrobić miejsce” dla tachionów musieliśmy rozszerzyć przestrzeń stanów - konkluduje.
Autorzy przewidują także, że rozszerzenie warunków brzegowych ma swoje konsekwencje: pojawia się w teorii nowy rodzaj splątania kwantowego mieszającego przeszłość z przyszłością, którego nie ma w konwencjonalnej teorii cząstek. W pracy pada też odpowiedź na pytanie, czy opisywane w ten sposób tachiony są wyłącznie matematyczną możliwością, czy też cząstki takie mają szanse zostać kiedyś zaobserwowane. Według autorów, tachiony są nie tylko możliwym, ale wręcz nieodzownym składnikiem procesu spontanicznego łamania odpowiedzialnego za powstawanie materii. Hipoteza ta oznaczałaby, że wzbudzenia pola Higgsa, zanim symetria została spontanicznie złamana, mogłyby się w próżni przemieszczać z nadświetlnymi prędkościami.
Publikacja naukowa
Jerzy Paczos, Kacper Dębski, Szymon Cedrowski, Szymon Charzyński, Krzysztof Turzyński, Artur Ekert, Andrzej Dragan, Covariant quantum field theory of tachyons, Phys. Rev. D 109 (2024)