Tachione

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Il tachione (dal greco ταχύς tachýs, "veloce") è un'ipotetica particella avente massa immaginaria e velocità superiore a quella della luce.

La prima descrizione teorico-concettuale è attribuita ad Arnold Sommerfeld, mentre tentativi di interpretazione all'interno della relatività ristretta furono compiuti da George Sudarshan nel 1962.[1] Il termine "tachione" venne usato per la prima volta da Gerald Feinberg nel 1964. Nella ricerca fisica moderna il concetto compare in vari contesti, in particolare nella teoria delle stringhe.

Il tachione viene spesso citato nella letteratura fantascientifica, sebbene di solito con proprietà non interamente corrispondenti a quelle scientifiche.

Proprietà di base[modifica | modifica sorgente]

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 della radiazione 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 per effetto Doppler verso 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 della relatività speciale, secondo la quale esso sarebbe una particella con un quadri-impulso di tipo-spazio, relegata ad una porzione tipo-spazio del grafico energia-momento; perciò non potrebbe mai rallentare alla velocità della luce o inferiore.

Se la sua energia e quantità di moto fossero reali, la massa a riposo sarebbe immaginaria, 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 valore complesso. Un effetto curioso è che, a differenza delle particelle ordinarie, la velocità di un tachione aumenta al 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. Secondo Einstein, la massa totale 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. Se m indica 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}}) }}

Consideriamo questa relazione come valida sia per i tachioni che per le particelle comuni ("bradioni" o "tardioni"). In situazioni ordinarie, questa equazione mostra che E aumenta all'aumentare della velocità, tendendo all'infinito quando v si avvicina a c, la velocità della luce. Se m è immaginario, invece, il denominatore della frazione deve essere immaginario per mantenere l'energia reale (visto che un immaginario diviso per un altro immaginario dà un reale). Il denominatore è immaginario se la quantità all'interno della radice è negativa, il che avviene se v è maggiore di c. Quindi, allo stesso modo in cui per i bradioni è impossibile superare la barriera della velocità della luce, lo stesso vale per i tachioni, che non possono avere velocità inferiori a quella della luce.

L'esistenza di simili particelle pone degli interessanti problemi sulla fisica moderna. Ad esempio, prendiamo le formule della radiazione elettromagnetica e supponiamo che un tachione abbia una carica elettrica (non possiamo dire a priori se un tachione sia neutro o dotato di carica); allora un tachione in accelerazione dovrebbe generare onde elettromagnetiche, come qualsiasi particella dotata di carica. Però, come abbiamo visto, diminuendo l'energia di un tachione la velocità aumenta, e quindi in una situazione del genere una piccola accelerazione ne produrrebbe una maggiore, portando ad un effetto a catena simile alla catastrofe ultravioletta.

Nel 1973 Philip Crough e Roger Clay hanno annunciato una particella più veloce della luce apparentemente dovuta ad un'ondata di raggi cosmici (l'osservazione non è stata né confermata né ripetuta).[2]

Causalità[modifica | modifica sorgente]

La proprietà della causalità, 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 la linea degli eventi di una data quantità di materia ordinaria. Una particella potrebbe mandare energia o informazione nel suo passato, formando un cosiddetto loop causale. Questo porterebbe a paradossi logici come il paradosso del nonno, a meno che la teoria non sia impostata in modo da prevenirli. Attualmente una simile soluzione non è conosciuta: per esempio, il principio di auto consistenza di Novikov non è stato ottenuto all’interno di una teoria quantistica dei campi, ma deve essere imposto. Come minimo il principio di relatività speciale dovrebbe essere abbandonato. Secondo la teoria della relatività generale, è possibile costruire modelli dello spaziotempo in cui alcune particelle viaggino più veloci della luce relativamente ad un osservatore distante. Un esempio è la metrica di Alcubierre. Comunque, questi non sono tachioni come i precedenti, in quanto localmente non superano la velocità della luce.

Tachioni, EPR, e la proposta di Bohm[modifica | modifica sorgente]

Un'altra possibilità per risolvere i paradossi causali, proposta a suo tempo da David Bohm per trattare il paradosso EPR, consiste nell'esigere l'esistenza di un sistema di riferimento privilegiato nel quale non si osservano mai segnali, pur superluminali, che si muovono indietro nel suo tempo relativo (a questo punto una specie di tempo universale in 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 di effetto 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. Vale la pena di osservare che nel quadro della Relatività ristretta subluminale, 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 della meccanica quantistica) sono compatibili con la relatività ristretta in cui sia presente un "etere" sullo sfondo, infatti i due postulati della Relatività ristretta, rimangono 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.

Teorie di campo e delle stringhe[modifica | modifica sorgente]

Nella teoria quantistica dei campi un tachione è un quanto di un campo, solitamente un campo scalare, la cui massa al quadrato è negativa (è espressa cioè da un numero immaginario). L'esistenza di una particella simile comporta l'instabilità dello spazio-tempo vuoto, poiché l'energia del vuoto presenta un massimo piuttosto che un minimo (per lo meno rispetto alla direzione del tachione). Un impulso molto piccolo (anche una normale fluttuazione quantistica) condurrà il campo a crollare, con un accrescimento esponenziale delle altezze, inducendo la condensazione tachionica. Il meccanismo di Higgs è 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 ma bosoni di Higgs, che hanno massa positiva.

È importante sottolineare che anche per i campi quantistici tachionici gli operatori di campo commutano (o anticommutano) a punti separati tipo-spazio.

I tachioni compaiono in molte versioni della teoria delle stringhe. In generale la teoria delle stringhe dice che ciò che vediamo come "particelle" (elettroni, fotoni, gravitoni e così via) sono in realtà diversi modi di vibrare delle stesse strutture fondamentali, le stringhe. La massa di una particella può essere dedotta dalle vibrazioni della stringa: come dire che la massa dipende dalla "nota" suonata dalla stringa. I tachioni appaiono spesso nello spettro dei possibili stati delle stringhe, nel senso che alcuni stati hanno massa immaginaria; un esempio è lo stato fondamentale della stringa bosonica.

I tachioni nella fantascienza[modifica | modifica sorgente]

A causa della loro natura misteriosa - in particolare della caratteristica di muoversi a velocità maggiore di quella della luce - i tachioni hanno spesso stimolato l'immaginazione degli autori di fantascienza. In numerose storie di fantascienza i tachioni sono utilizzati come mezzo per effettuare comunicazioni più veloci della luce, con o senza riferimenti a risultati di casualità; alcune volte sono parte di qualche tecnologia per il viaggio nel tempo. Citazioni dei tachioni si trovano infatti in molte serie fantascientifiche come Star Trek, Eureka o Babylon 5 e perfino nei fumetti PKNA - Paperinik New Adventures della The Walt Disney Company Italia. I tachioni in molti romanzi sono particelle necessarie per realizzare i viaggi nel tempo, come in Timescape, Le porte di Anubis o L'orlo della Fondazione.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) Sudarshan, Deshpande e Bilaniuk, Meta Relativity in American Journal of Physics, vol. 30, 1962, p. 718, Bibcode:1962AmJPh..30..718B, DOI:10.1119/1.1941773.
  2. ^ scienceworld

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

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