Уравнения физики иногда допускают объект, который один наблюдатель считает посланным вперёд, а другой — летящим назад во времени. Такой объект называют тахионом. Но математическое разрешение ещё не означает, что природа обязана выдать нам эту частицу.
2. Откуда появился тахион?
В 1960-х годах физики исследовали, можно ли расширить специальную теорию относительности на гипотетические частицы, всегда движущиеся быстрее света. Название «тахион» происходит от греческого слова «быстрый». Обычные частицы с массой покоя, напротив, не могут разогнаться до скорости света.
Тахион в классической схеме не пересекает световой барьер сверху вниз или снизу вверх. Чем меньше его энергия, тем выше могла бы быть скорость; при попытке замедлить его до скорости света потребовалась бы необычная предельная ситуация. Эти свойства настолько непривычны, что бытовые аналогии быстро начинают обманывать.
В формулах возникает мнимая масса, точнее отрицательный квадрат массы. Это не означает массу, которую весы покажут как «три воображаемых килограмма». Это сигнал особой математической структуры зависимости энергии от импульса.
3. Почему быстрее света связано со временем?
В теории относительности одновременность зависит от движения наблюдателя. События, которые нельзя соединить сигналом медленнее света, называются пространственноподобно разделёнными. Разные наблюдатели могут не соглашаться, какое из них произошло раньше.
Если сигнал летит быстрее света, найдётся система отсчёта, в которой порядок отправки и получения меняется местами. Сам по себе этот пересмотр порядка ещё не создаёт машину времени. Но обмен подходящими сверхсветовыми сигналами между движущимися участниками позволяет построить «тахионный антителефон»: ответ приходит до отправки первоначального сообщения.
Тогда возникает угроза причинности. Можно получить предупреждение, из-за которого сообщение никогда не будет отправлено. Физика очень не любит такие логические петли, потому что причина и следствие перестают образовывать согласованную историю.
4. Античастица не решает всё автоматически?
В квантовой теории некоторые математические выражения можно переосмыслить: частица, движущаяся назад во времени, описывается как античастица, движущаяся вперёд. Такой приём связан с работами Фейнмана и Штюкельберга и полезен в диаграммах взаимодействий.
Но не стоит представлять позитрон как электрон, который буквально прибыл из завтра и может передать нам свежую газету. Наблюдаемые античастицы движутся вперёд по нашим часам и не позволяют посылать управляемую информацию в прошлое.
Для тахионов переинтерпретация обсуждалась как способ сохранить согласованность описания. Однако проблема причинных циклов не исчезает автоматически, особенно если можно свободно испускать, принимать и возвращать сверхсветовые сигналы.
5. «Тахионное поле» не всегда означает частицу?
В современной квантовой теории слово «тахионный» часто имеет другой смысл. Отрицательный квадрат массы в уравнении поля обычно означает нестабильность выбранного состояния. Поле стремится скатиться в более устойчивую конфигурацию, как шарик с вершины холма.
После перестройки физические возбуждения вокруг нового минимума могут иметь нормальные массы и не двигаться быстрее света. Известный пример похожей логики связан со спонтанным нарушением симметрии. Поэтому сообщение о «тахионной нестабильности» в теории не является обнаружением сверхсветовой частицы.
Эксперименты не дали общепринятого подтверждения существования свободных тахионов. Ошибки измерений иногда создавали сенсации: достаточно вспомнить объявление 2011 года о якобы сверхсветовых нейтрино OPERA, объяснённое затем техническими проблемами.
6. Что говорит наука?
Подтверждено, что специальная теория относительности чрезвычайно точно описывает движение частиц и сохраняет скорость света как предельную скорость передачи причинного сигнала. Ни одна известная частица не продемонстрировала надёжного движения назад во времени.
Математически тахионы исследуются давно. В статьеNature о причинности и тахионахподчёркивалось, что причинностный аргумент остаётся серьёзным препятствием: сверхсветовая частица должна обладать особыми свойствами, чтобы причина не оказалась после следствия.
Гипотезой остаётся существование свободных тахионов как реальных частиц. Теоретики изучали способы избежать парадоксов, например выделенную систему отсчёта, но цена часто состоит в отказе от привычной лоренц-инвариантности. Наблюдательных оснований предпочесть такие модели сейчас нет.
Итак, формулы позволяют обсуждать частицу, которая в некоторых системах отсчёта выглядит движущейся назад во времени. Но подтверждённого природного объекта такого рода мы не знаем, а управляемая связь с прошлым конфликтует с причинностью. Подпишитесь: впереди ещё немало идей, где тонкая граница между математикой и реальностью особенно интересна.
