타키온

Tachyon
이 기사는 가상의 빛보다 빠른 입자에 관한 것입니다.허수성 질량을 가진 양자장은 타키요닉장을 참조하십시오.기타 용도는 타키온(동음이의)을 참조하십시오.
타키온
타키온은 항상 빛보다 더 빠르게 이동하기 때문에, 그것이 다가오는 것을 볼 수 없을 것입니다.타키온이 근처를 지나면 관측자는 반대 방향으로 나타나는 두 개의 이미지를 볼 수 있습니다.이 이중 이미지 효과는 초광성 물체의 경로에 직접 위치한 관찰자에게 가장 두드러집니다(이 예에서는 투명한 회색으로 표시된 구입니다).타키온이 빛보다 먼저 도착하기 때문에, 관찰자는 구가 이미 지나갈 때까지 아무것도 보지 못하고, 그 후 (관찰자의 관점에서) 이미지는 두 개로 나뉘는 것처럼 보입니다. 하나는 도착하는 구(오른쪽)이고 하나는 출발하는 구(왼쪽)입니다.
분류기본입자
상황가설적
이론화된1967

타키온(/ˈ트 æ키 ɒn/) 또는 타키온 입자는 항상 빛보다 빠르게 이동하는 가상의 입자입니다.물리학자들은 빛보다 빠른 입자는 알려진 물리 법칙과 일치하지 않기 때문에 존재할 수 없다고 믿고 있습니다.[1][2]만약 그러한 입자들이 존재한다면 그것들은 빛보다 더 빨리 신호를 보내는 데 사용될 수 있습니다.상대성 이론에 따르면 이것은 인과율을 위반하고 할아버지 역설과 같은 논리적 역설을 초래할 것입니다.[1]타키온은 에너지가 감소함에 따라 속도가 증가하는 특이한 특성을 보이며, 빛의 속도까지 감속하기 위해서는 무한한 에너지가 필요합니다.그러한 입자의 존재에 대한 검증 가능한 실험적 증거는 발견되지 않았습니다.

제럴드 파인버그는 1967년 논문에서 타키오닉 입자가 허수성 질량을 가진 양자장의 여기로부터 만들어질 수 있다고 제안했습니다.[3]그러나 파인버그의 모델은 초광성 입자나 신호를 실제로 허용하지 않았으며 빈정거리는 장들이 인과관계 위반이 아닌 불안정성을 야기할 뿐이라는 것을 곧 깨달았습니다.[4]그럼에도 불구하고, 현대 물리학에서 타키온이라는 용어는 종종 빛보다 빠른 입자보다는 상상의 질량장을 가리킵니다.[2][5]그러한 분야는 현대 물리학에서 중요한 역할을 합니다.

그 용어는 그리스어에서 왔습니다: τα χύ, 빠르기라는 뜻의 타키.상보적인 입자 유형은 룩손(항상 빛의 속도로 움직이는)과 브래디온(항상 빛의 속도보다 느리게 움직이는)이라고 불리는데, 이 두 가지 입자 유형이 모두 존재하는 것으로 알려져 있습니다.

역사

타키온이라는 용어는 제럴드 파인버그가 1967년에 발표한 "광속 입자의 가능성"이라는 논문에서 만든 것입니다.[3]그는 제임스 블리쉬의 공상 과학 이야기 "삐"에서 영감을 얻었습니다.[6]파인버그는 특수 상대성 이론에 따라 그러한 입자들의 운동학을 연구했습니다.그의 논문에서, 그는 또한 그러한 입자들이 가지고 있을 수 있는 미시적인 물리적 기원을 이해하기 위한 시도로 상상의 질량을 가진 장들(현재 타키온이라고도 함)을 소개했습니다.

빛보다 빠른 입자에 대한 최초의 가설은 독일의 물리학자 아르놀트 조머펠트가 1904년에 "메타 입자"라고 이름 지었기 때문입니다.[7][8]Bilanuik, Deshpande 및 Sudarshan은 이 주제에[9] 대한 1962년 논문과 1969년에 이에 대해 보다 최근에 논의했습니다.[10]

빛보다 빠른 입자의 존재 가능성은 1923년 레프 야코블레비치 슈트룸에 의해서도 제안되었습니다.[11]

2011년 9월, CERN에 의한 주요 발표에서 타우 중성미자가 빛의 속도보다 더 빠르게 이동했다고 보고되었습니다. 그러나 이후 Opera 프로젝트에 대한 CERN의 업데이트에 따르면 빛의 속도보다 빠른 판독값은 실험의 광섬유 타이밍 시스템의 결함으로 인한 것임을 알 수 있습니다.[12]

상대성 이론의 타키온

특수 상대성 이론에서, 빛보다 빠른 입자는 시간과 같은 4개의 운동량을 가진 일반 입자와 달리 [3]공간과 같은 4개의 운동량을 가질 것입니다.일부 이론에서는 타키온의 질량이 가상으로 간주되지만, 일부 현대 공식에서는 질량이 실제로 간주되며,[13][14][15] 운동량과 에너지에 대한 공식이 이를 위해 재정의됩니다.게다가, 타키온은 에너지-운동량 그래프의 공간 같은 부분에 제한되어 있기 때문에, 빛보다 느린 속도를 의미하는 서브 루미날(subluminal) 속도로 속도를 낮출 수 없었습니다.[3]

덩어리

주요 기사:질량 § 타키요닉 입자와 가상의 (복잡한) 질량, 그리고 타키요닉 장

로렌츠 불변 이론에서, 일반적인 빛보다 느린 입자(타키온 논의에서 때때로 "브래디온"이라고 불리는)에 적용되는 동일한 공식이 타키온에도 적용되어야 합니다.특히 에너지-운동량 관계는 다음과 같습니다.

(여기서 p는 브라디온의 상대론적 운동량이고 m은 정지 질량입니다) 입자의 총 에너지에 대한 공식과 함께 적용되어야 합니다.

이 방정식은 입자(브라디온 또는 타키온)의 총 에너지가 정지 질량("정지 질량-에너지")의 기여와 운동, 운동 에너지의 기여를 포함하고 있음을 보여줍니다. 입자의 속도)가 광속)보다 크면 제곱근 아래의 값이 음수이므로 에너지에 대한 방정식의 분모는 허수입니다.입자의 총 에너지는 실수(복소수나 허수가 아니라 실수)여야 측정에 실질적인 의미를 가질 수 있기 때문에, 분자는 또한 허수여야 합니다(즉, 나머지 질량 m은 허수여야 합니다.

이론의 일부 현대적 공식에서 타키온의 질량은 실제로 간주됩니다.[13][14][15]

스피드

한 가지 흥미로운 효과는 일반 입자와 달리 타키온의 속도가 에너지가 감소함에 따라 증가한다는 것입니다.특히, 가 무한대에 가까울 E{\는 0에 가까워집니다. (일반적인 브래디닉 물질의 ,E {\는 속도가 증가함에 따라 증가하며, {\가 빛의 속도인c {\c에 가까워짐에 따라 임의로 커집니다.)그러므로, 브래디온이 광속 장벽을 깨는 것이 금지되듯이, 타키온 또한 c 이하로 느려지는 것이 금지됩니다. 왜냐하면 위나 아래에서 장벽에 도달하기 위해서는 무한한 에너지가 필요하기 때문입니다.

알버트 아인슈타인, 톨먼 등이 언급한 바와 같이, 특수 상대성 이론은 빛보다 빠른 입자가 존재한다면 시간을 거슬러 의사소통하는 데 사용될 수 있다는 것을 암시합니다.[16]

중성미자

1985년 초도스는 중성미자가 빈맥성을 가질 수 있다고 제안했습니다.[17]표준 모델 입자가 빛보다 빠른 속도로 이동할 가능성은 로렌츠 불변성 위반 항을 사용하여 모델링할 수 있습니다(예:[18][19][20] 표준 모델 확장).이 프레임워크에서 중성미자는 로렌츠 진동을 경험하고 높은 에너지에서 빛보다 더 빠르게 이동할 수 있습니다.이 제안은 강한 비판을 받았습니다.[21]

체렌코프 복사

전하를 가진 타키온은 일반적인 하전 입자가 매질에서 빛의 국소 속도를 초과할 때와 마찬가지로 체렌코프 복사처럼 에너지를 잃습니다.따라서 진공 상태에서 이동하는 대전된 타키온은 일정한 적절한 시간 가속을 거치게 되고, 필요에 따라 월드 라인은 시공간에서 쌍곡선을 형성하게 됩니다.타키온의 에너지를 줄이는 것은 속도를 증가시키기 때문에 형성된 단일 쌍곡선은 서로 반대되는 운동량(같은 크기, 반대 부호)을 가진 두 개의 반대로 대전된 타키온으로 구성되어 있으며, 공간의 같은 장소에서 동시에 무한한 속도에 도달할 때 서로를 소멸시킵니다.(무한한 속도에서 두 타키온은 각각 에너지가 없고 반대 방향의 유한 운동량을 가지고 있으므로 상호 소멸에 있어 보존 법칙이 위배되지 않습니다.소멸 시간은 프레임에 따라 다릅니다.)

심지어 전기적으로 중성인 타키온은 중력 질량을 가지고 있기 때문에 (중력자가 타키온이 아닌 한) 중력 체렌코프 복사를 통해 에너지를 잃을 것으로 예상됩니다.타키온이 다른 입자와 상호작용하면 체렌코프 에너지를 그 입자로 방출할 수도 있습니다.중성미자는 표준 모델의 다른 입자들과 상호작용을 하는데, 앤드류 코언과 셸던 글래쇼는 이것을 이용하여 2011년의 빛보다 빠른 중성미자 변칙은 중성미자가 빛보다 빠르게 전파되는 것으로 설명될 수 없으며, 대신 실험의 오류 때문임에 틀림없다고 주장했습니다.[22]이 실험에 대한 추가적인 조사는 결과가 실제로 오류가 있다는 것을 보여주었습니다.

인과관계

빛보다 빠르게 움직이는 것이 특수 상대성 이론의 맥락에서 시간 여행을 의미한다는 것을 보여주는 시공간 도표.우주선은 지구에서 빛보다 느리게 A에서 C로 출발합니다.B에서 지구는 타키온을 방출하는데, 타키온은 빛보다 빠르지만 지구의 기준 좌표계에서 시간에 앞서 진행합니다.그것은 C에서 우주선에 도달합니다.그리고 나서 우주선은 또 다른 타키온을 C에서 D로 지구로 보냅니다.이 타키온은 또한 우주선의 기준 프레임에서 시간에 따라 앞으로 이동합니다.이것은 효과적으로 지구가 과거로 돌아가 B에서 D로 신호를 보낼 수 있게 해줍니다.

인과관계는 물리학의 기본 원리입니다.타키온이 빛보다 빨리 정보를 전달할 수 있다면 상대성 이론에 따르면 인과관계를 위반해 '친할아버지 죽이기' 유형의 논리적 역설로 이어집니다.이것은 종종 "타키온 전화 역설"[16]이나 "논리적으로 해로운 자기 억제자"와 같은 사고 실험과 함께 설명됩니다.[23]

문제는 특수 상대성 이론에서 동시성의 상대성의 관점에서 이해될 수 있는데, 이는 다른 관성 기준 프레임이 다른 위치에서 두 사건이 "동시에" 발생했는지 여부에 대해 의견이 일치하지 않을 것이며, 또한 두 사건의 순서에 대해 의견이 일치하지 않을 수 있다는 것입니다(기술적으로 이러한 의견 차이는 다음과 같이 발생합니다).이벤트 사이의 시공간 간격은 '공간 유사'이며, 이는 두 이벤트 모두 다른 이벤트의 미래 광원뿔에 놓여 있지 않다는 것을 의미합니다.[24]

두 이벤트 중 하나가 한 위치에서 신호가 송신되는 것을 나타내고, 두 번째 이벤트가 다른 위치에서 동일한 신호가 수신되는 것을 나타낸다면, 그 신호가 광속 또는 그 이하의 속도로 이동하는 한,동시성의 수학은 모든 참조 프레임이 전송-이벤트가 수신-이벤트 이전에 발생했다는 것에 동의함을 보장합니다.[24]그러나 가상의 신호가 빛보다 더 빠르게 움직이는 경우에는 신호가 전송되기 전에 수신되는 프레임이 항상 존재하여 신호가 시간적으로 뒤로 이동하였다고 할 수 있습니다.특수상대성이론의 두 가지 기본적인 가설 중 하나는 물리학 법칙이 모든 관성 프레임에서 동일한 방식으로 작동해야 한다고 말하기 때문에, 만약 신호가 한 프레임에서 시간을 거슬러 이동하는 것이 가능하다면, 모든 프레임에서 가능해야 합니다.이는 관찰자 A가 A의 프레임에서는 빛보다 빠르게 움직이지만 B의 프레임에서는 시간이 거꾸로 가는 신호를 관찰자 B에게 보낸 후 B의 프레임에서는 빛보다 빠르게 움직이지만 A의 프레임에서는 시간이 거꾸로 가는 응답을 보낸다면 A가 원래의 신호를 보내기 전에 응답을 받았다는 것을 알 수 있을 것이고,모든 프레임에서 인과관계에 도전하고 심각한 논리적 역설의 문을 여는 것입니다.[25]이것은 빈정거림 방지 전화라고 알려져 있습니다.

재해석 원리

재해석 원리는[3][9][25] 관찰자들이 타키온의 방출과 흡수를 구별할 수 없기 때문에 시간을 거슬러 올라간 타키온으로 항상 재해석될 수 있다고 주장합니다.미래에서 타키온을 탐지하려는 시도는 실제로 동일한 타키온을 생성하고 시간에 따라 전송합니다(인과적).

그러나 이 원리는 역설을 해결하는 것으로 널리 받아들여지고 있지 않습니다.[16][25][26]대신 역설을 피하기 위해 필요한 것은 알려진 입자와 달리 타키온은 어떤 방식으로도 상호작용하지 않으며 절대 감지하거나 관찰할 수 없다는 것입니다. 그렇지 않으면 타키온 빔이 변조되어 안티 전화기[16] 또는 "논리적으로 유해한 자기 억제기"를 만드는 데 사용될 수 있기 때문입니다.[23]모든 형태의 에너지는 적어도 중력적으로 상호작용한다고 믿어지며, 많은 저자들은 로렌츠 불변 이론에서 초광속 전파는 항상 인과적 역설을 초래한다고 말합니다.[27][28]

기본 모델

현대 물리학에서는 모든 기본 입자가 양자장의 들뜸으로 간주됩니다.타키온 입자가 장 이론에 포함될 수 있는 몇 가지 독특한 방법이 있습니다.

허수성 질량을 갖는 필드

주요 기사:타키온 장

제럴드 파인버그(Gerald Feinberg)는 "타치온"이라는 용어를 만든 논문에서 가상 질량을 가진 로렌츠 불변 양자장을 연구했습니다.[3]그러한 장의 그룹 속도는 초광속이기 때문에 순진하게도 그 들뜸이 빛보다 더 빨리 전파되는 것처럼 보입니다.그러나 초광속 그룹 속도는 (입자와 같은) 어떤 국소적인 여기의 전파 속도와 일치하지 않는다는 것이 빠르게 이해되었습니다.대신 음의 질량은 타키온 응축에 대한 불안정성을 나타내며 필드의 모든 여기는 아광학적으로 전파되며 인과율과 일치합니다.[29]빛보다 빠른 전파가 없음에도 불구하고, 이러한 필드는 많은 소스에서 단순히 "타키온"이라고 불립니다.[5][30][31][32][2]

타키온 장들은 현대 물리학에서 중요한 역할을 합니다.아마도 가장 유명한 것은 입자 물리학 표준 모델의 힉스 보손으로, 무감각 상태에서 상상의 질량을 가지고 있을 것입니다.일반적으로, 타키온 응축과 밀접한 관련이 있는 자발적 대칭 깨짐 현상은 긴츠부르크-란다우 및 초전도성 BCS 이론을 포함한 이론 물리학의 많은 측면에서 중요한 역할을 합니다.타키온 장의 또 다른 예는 보손 끈 이론의 타키온입니다.[30][33]

타키온은 보손 끈 이론과 GSO 투영에 앞서 RNS 초끈 이론의 열린 보손 섹터와 닫힌 보손 섹터인 Neveu-Schwarz(NS) 및 NS-NS 섹터에 의해 예측됩니다.그러나 이러한 타키온은 타키온 응축이라고도 알려진 센 추측 때문에 불가능합니다.이로 인해 GSO 예측이 필요하게 되었습니다.

로렌츠 위반 이론

로렌츠 불변성을 존중하지 않는 이론에서, 빛의 속도는 (꼭) 장벽이 아니며, 입자는 무한 에너지나 인과 역설 없이 빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 수 있습니다.[27]그러한 유형의 필드 이론의 클래스는 소위 표준 모델 확장입니다.그러나 로렌츠 불변성에 대한 실험적 증거는 매우 우수하므로 그러한 이론은 매우 엄격하게 제한됩니다.[34][35]

정규 운동항이 아닌 필드

장의 운동 에너지를 수정함으로써 초광학적으로 전파되는 여기를 가진 로렌츠 불변 장 이론을 생성할 수 있습니다.[29][28]그러나 그러한 이론은 일반적으로 (위에서 논의된 인과성 문제와 관련된 이유로) 잘 정의된 코시 문제를 가지고 있지 않으며, 기계적으로 일관성이 없는 양자일 것입니다.

소설속에서

주요 기사:소설 속 타키온

타키온은 많은 소설 작품에 등장했습니다.그들은 인과관계 문제에 대한 언급이 있건 없건 간에, 많은 공상과학 소설 작가들이 빛보다 빠른 의사소통을 하기 위해 의존하는 대기 메커니즘으로 사용되어 왔습니다.타키온(tachyon)이라는 단어는 비록 문제의 대상이 초광성 여행(양전자 뇌와 유사한 테크노베이블의 한 형태)과 특별한 관련이 없더라도 과학-소설적 함축성을 줄 수 있을 정도로 널리 인식되었습니다.[36]

참고 항목

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