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¿La ayuda de los taquiones se mueven más rápido que la luz?

Estoy tratando de entender si es o no la ayuda de los taquiones viajar más rápido que la luz. Los enlaces de la página de Wikipedia muestra algunos aparentemente contradictorias declaraciones, y que se confunde.

Por ejemplo, la primera frase establece que la ayuda de los taquiones "siempre viajar más rápido que la velocidad de la luz", mientras que, en una sección posterior, se afirma que en realidad son la propagación de subluminally. Es cierto que la ayuda de los taquiones representan más rápido que las partículas de luz, o no?

30voto

alex77 Puntos 298

Un taquión es una partícula con un imaginario resto de la masa. Sin embargo, esto no significa que "viaja" más rápido que la luz, ni que no hay ningún conflicto entre su existencia y de la teoría especial de la relatividad.

La idea principal aquí es que el típico intuición que tenemos sobre las partículas -- ellos la bola de billar-como objetos -- absolutamente falla en el mundo cuántico. Resulta que la correcta límite clásico de campos cuánticos en muchas situaciones es clásica de los campos en lugar de punto de partículas, y por lo que se deben resolver las ecuaciones de campo de un campo con el imaginario de masa y ver lo que sucede en lugar de simplemente ingenuo suponer que la velocidad va a ser más rápido que la luz.

La matemática detalles son un poco técnico, así que sólo voy a referir a Báez excelente página si estás interesado ( http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/tachyons.html ), pero la conclusión puede ser declarada de manera muy simple. Hay dos tipos de "disturbios" que usted puede hacer en un campo de taquiones:

1) no locales perturbaciones que pueden ser poéticamente llamado "más rápido que la luz", pero que en realidad no representan más rápido que la propagación de la luz, ya que son no locales en el primer lugar. En otras palabras, usted no puede hacer que una no locales perturbación en un número finito de tamaño de laboratorio, la enviará a su amigo en la galaxia de andrómeda y pídales que lean el mensaje en menos tiempo que tomaría para que la luz llegue allí. No, vosotros, en el mejor de hacer un no locales perturbación que es tan grande como su laboratorio, y para establecer que usted necesita para enviar un ramo de más lento que la luz, las señales de primera. Es como decirle a todos tus amigos de todo el sistema solar para saltar exactamente a las 12:00 am de mañana: verás una no locales "perturbación" que no pueden ser utilizados para el envío de información porque había que configurarlo previamente.

2) Localizada perturbaciones que viajar más lento que la luz. Estos son los únicos tipos de alteraciones que podrían ser utilizados para enviar un mensaje usando el campo de taquiones, y que el respeto de la relatividad especial.

En física de partículas, el término "taquión" se utiliza para hablar sobre inestable vacío de los estados. Si usted encuentra un taquión en el espectro de su teoría significa que no estás sentado en el verdadero vacío, y que la teoría está tratando de "roll-off" a un estado de baja energía. Este proceso físico se denomina condensación de taquiones y es probable que sucedió en el universo temprano, cuando la teoría electrodébil estaba tratando de encontrar su estado fundamental antes de que el campo de Higgs adquirió su valor en la actualidad.

Una buena manera de pensar acerca de la ayuda de los taquiones es imaginar colgar varios péndulos en un tendedero de ropa, una después de la otra. Si molestar a uno de ellos, una cierta cantidad de fuerza que se transmite de un péndulo a la siguiente y verás un viaje disturbio en el tendedero. Usted será capaz de identificar una "velocidad de la luz" para este sistema (lo que realmente va a ser la velocidad del sonido en la cadena). Ahora usted puede hacer una "taquión" en este sistema por voltear todos los péndulos al revés: ellos estarán en un muy inestable posición, pero eso es precisamente lo que un taquión representa. Sin embargo, no hay absolutamente ninguna manera de que usted podría enviar una señal a la cuerda más rápido que la "velocidad de la luz" en el sistema, a pesar de esta inestabilidad.

tl;dr: la consideración Cuidadosa de la ayuda de los taquiones hace considerablemente diferente de la ciencia ficción expectativas.

EDIT: Como por jdlugosz la sugerencia, he incluido el enlace a Lenny Susskind explicación.

http://youtu.be/gCyImLu0HSI?t=58m51s

22voto

Stefano Puntos 763

En esta respuesta que, básicamente, va a repetir Leandro M. la buena respuesta de la utilización de fórmulas.

Supongamos por simplicidad de uso de las unidades donde $c=1=\hbar$. Considere la posibilidad de un spinless relativista complejo campo escalar

$$\tag{1} \left(\partial_t^2-\partial_x^2+m_0^2\right)\phi(x,t)~=~0 $$

en 1+1 dimensiones de espacio-tiempo. Las componentes real e imaginaria, ${\rm Re}(\phi)$ ${\rm Im}(\phi)$ , son independientes de los campos, desde la eq. de movimiento (1) es lineal.

La densidad Lagrangiana para un spinless relativista complejo campo escalar (1) es

$$\etiqueta{2} {\cal L}~=~|\partial_t\phi|^2 - {\cal V}, \qquad {\cal V}~=~|\partial_x\phi|^2+ m_0^2 |\phi|^2. $$

A tachyonic mass $ m_0^2<0$ corresponds to a potential density ${\cal V}$ that is unbounded from below, which leads to an instability $|\phi|\to \infty$.

Let us perform a spatial Fourier transformation

$$\tag{3} \tilde{\phi}(p,t)~=~\int_{\mathbb{R}} \!dx~e^{-ipx} \phi(x,t),\qquad \phi(x,t)~=~\int_{\mathbb{R}} \!\frac{dp}{2\pi}~e^{ipx}\tilde{\phi}(p,t).$$

Then the wave equation (1) becomes a second-order linear ODE

$$\tag{4} \left(\partial_t^2+E_p^2\right)\tilde{\phi}(p,t)~=~0, $$

where

$$\tag{5} E_p~:=~\sqrt{p^2+m_0^2}.$$

The complete solution to the second-order linear ODE (4) is$^1$

$$ \la etiqueta{6} \tilde{\phi}(p,t)~=~\sum_{\pm} C_{\pm}(p)e^{\pm iE_pt} ~ = ~ (P)\cos(E_pt)+B(p)t~{\rm sinc}(E_pt),$$

where

$$ \tag{7} C_{\pm}(p)~=~\frac{1}{2}\left(A(p)\mp i \frac{B(p)}{E_p}\right)$$

are two integration constants. We next analyze various cases.

1) Waves localized in $p$-space (and hence non-local in $x$-space). Here we assume that the wave packet is almost monochromatic, so that the coefficient functions $p \mapsto C_{\pm}(p)$ are sharply peaked around a central momentum. Such a wave packet is hence non-local in $x$-space, cf. the Heisenberg uncertainty principle.

1a) Oscillatory case $p^2>-m_0^2$. The phase velocity is

$$\etiqueta{8} v_p ~:=~\frac{E_p}{|p|} ~\left\{ \begin{array}{c} > \cr = \cr <\end{array}\right\}~ 1\quad\text{para}\quad m_0^2 ~\left\{ \begin{array}{c} > \cr = \cr <\end{array}\right\}~0. $$

The group velocity is

$$\la etiqueta{9} v_g ~:=~\frac{dE_p}{d|p|} ~\stackrel{(5)}{=}~\frac{|p|}{E_p}~=~\frac{1}{v_p} ~\left\{ \begin{array}{c} < \cr = \cr >\end{array}\right\}~ 1\quad\text{para}\quad m_0^2 ~\left\{ \begin{array}{c} > \cr = \cr <\end{array}\right\}~0. $$

The group velocity formula (9) is derived under the assumption that we may linearize the dispersion relation, i.e. the wave packet is assumed to be localized in $p$-space. In the tachyonic case $m_0^2<0$, the group velocity is faster than the speed of light.

1b) Exponentially growing/decaying case $p^2<-m_0^2$. Such non-travelling solutions (6) are only possible for tachyons $m_0^2<0$.

2) Waves localized in $x$-space. Assume that for each constant time slice $t$, the wave has compact support

$$ {\rm supp}(\phi(\cdot,t))~:=~\overline{\{ x\in \mathbb{R}|\phi(x,t) \neq 0\}}~=~[a_-(t),a_+(t)]~\subset ~\mathbb{R}, $$

$$\la etiqueta{10} a_+(t)~:=~\sup {\rm supp}(\phi(\cdot,t))~<~\infty, \qquad a_-(t)~:=~\inf {\rm supp}(\phi(\cdot,t))~>~-\infty , \qquad $$

of the form of an interval with endpoints $-\infty<a_-(t)<a_+(t)<\infty$. Vamos a definir para su posterior comodidad, el punto medio y la mitad de la longitud

$$\tag{11} c(t)~:=~\frac{a_+(t)+a_-(t)}{2}, \qquad b(t)~:=~\frac{a_+(t)-a_-(t)}{2}~\geq~0, $$

respectively.

   ^ phi    
   |            _____
   |           /     \_______________
   |          /    b           b     \
 --|---------|-----------|-----------|--------------> x
             a-          c           a+

$\uparrow$ Fig. 1. A wave $\phi(x)$ with compact support $[a_-,a_+]$ along the $x$-axis. Time $t$ is suppressed from the notation.

Up until now the Fourier variable $p$ has been real. However, the second-order linear ODE (4) and its solution (6) make sense for complex momentum $p\in\mathbb{C}$. We may hence take advantage of complex function theory. The square root (5) has an asymptotic behaviour

$$\tag{12} E_p~\sim~\pm p\quad\text{for}\quad |p|\to\infty.$$

If the compactly supported function $\phi(\cdot,t)\en {\cal L}^1(\mathbb{R})$ is integrable, then the corresponding spatial Fourier transform $\tilde{\phi}(\cdot,t)$ is an entire function by Lebesgue's majorant theorem. Comparing eqs. (3a) and (10), the ultra-relativistic asymptotic behaviour is heuristically given as

$$\tag{13} \tilde{\phi}(p,t)~\sim~e^{-ia_{\pm}(t)p}\quad\text{for}\quad {\rm Im}(p)\to \pm \infty. $$

A rigorous mathematical characterization$^2$ of this spatial Fourier transform is provided by the Paley-Wiener (PW) theorem.

Comparing eqs. (6), (12), and (13), we deduce that the front velocity is generically$^3$ the speed of light,

$$\tag{14} \frac{da_{\pm}(t)}{dt}~=~\pm 1, $$

i.e. the endpoints $a_{\pm}(t)$ of the compact support move with the speed of light, independently of the mass square $m_0^2$. This is because the mass is not important in the ultra-relativistic limit (12). In particular, the support (10) of a position-localized wave packet does not expand faster than the speed of light, not even in the tachyonic case $m_0^2<0$.

Referencias:

  1. La ayuda de los taquiones en El Original de Usenet Física de preguntas frecuentes.

--

Notas a pie de página:

$^1$ La última forma de eq. (6) es manifiestamente libre de la raíz cuadrada de la ambigüedad (5) utilizando incluso las funciones, es decir, el coseno y la sinc función. La de Fourier transformada de onda $\tilde{\phi}(\cdot,t)$ es holomorphic iff los dos el coeficiente de funciones $A(\cdot)$$B(\cdot)$. Si la ola $\phi\in\mathbb{R}$ es real, entonces la transformada de Fourier transformada de onda satisfecho

$$\tag{15} \tilde{\phi}(p,t)^{\ast}~=~\tilde{\phi}(-p^{\ast},t),$$

iff

$$\tag{16} A(p)^{\ast}~=~A(-p^{\ast}), \qquad B(p)^{\ast}~=~B(-p^{\ast}). $$

See also the Schwarz reflection principle.

$^2$ Here is a rigorous proof of eq. (14). Assume that $\phi(\cdot,t\!=\!0)\in {\cal L}^2(\mathbb{R})$ is (i) square-integrable, and (ii) has compact support

$$\tag{17} -\infty~<~a_-(t\!=\!0) ~\leq ~a_+(t\!=\!0)~<~\infty.$$

[The square-integrability (i) is a technicality to get inside the realm of the Paley-Wiener (PW) theorem. Then by Cauchy-Schwarz's inequality, the function $\phi(\cdot,t\!=\!0)\in {\cal L}^1(\mathbb{R})$ is integrable.]

By shifting the $x$-axis if necessary, we may assume that the initial support midpoint $c(t\!=\!0)=0$ is zero, i.e.

$$\tag{18} \infty~>~a_0~:=~a_+(t\!=\!0)~=~-a_-(t\!=\!0)~\geq~0. $$

In this way we get an initial globally defined holomorphic Fourier transform of exponential type $a_0$

$$ \etiqueta{19} \forall p\in \mathbb{C}: ~~ |A(p)|~\stackrel{(6)}{=}~|\tilde{\phi}(p,t\!=\!0)| ~\stackrel{(3a)}{\leq}~ Ke^{a_0|p|}, $$

where

$$\tag{20} K~:=~\int_{\mathbb{R}}\!dx~ |\phi(x,t\!=\!0)|~=~\int_{[-a_0,a_0]}\!dx~ |\phi(x,t\!=\!0)|~<~\infty.$$

[Conversely, the ineq. (19) together with the Paley-Wiener (PW) theorem guarantees that the support $$\tag{21} {\rm supp}(\phi(\cdot,t\!=\!0))~\subseteq~[-a_0,a_0] $$ is inside the interval $[-a_0,a_0]$. The proof of eq. (21) is a straightforward exercise in closing an integration contour in the upper or lower half-plane of the complex $p$-plane.]

Assuming that the support ${\rm supp}(\phi(\cdot,t\!=\!t_0))$ remains compact for at least one other time slice $t_0\neq 0$, it is necessary that the coefficient function $B(\cdot)$ is an entire function of exponential type

$$ \etiqueta{22} \existe L,b_0>0~ \forall p\in \mathbb{C}: ~~ |B(p)|~\leq~ Le^{b_0|p|}. $$

It must be possible to choose $b_0\leq a_0$, because else the front velocity would be infinite, which is physically unacceptable.

Combining eqs. (19) and (22) with eq. (6), then for an arbitrary time slice $t$, we get a globally defined holomorphic Fourier transform of exponential type $a_0+|t|$,

$$\tag{23} \exists M>0~\forall p\in \mathbb{C}: ~~|\tilde{\phi}(p,t)|~\leq~ M e^{|m_0||t|}e^{(a_0+|t|)|p|} .$$

In eq. (23) we have used the triangle inequality

$$\tag{24} |E_p|~\stackrel{(5)}{\leq}~ \sqrt{|p|^2+|m_0|^2}~\leq~|p|+|m_0|. $$

Conversely, the ineq. (23) together with the PW theorem now guarantees that the support (10) is inside the interval

$$\tag{25} [-a_0-|t|,a_0+|t|]~\subset~\mathbb{R},$$

i.e. the front velocity is less or equal to the speed of light, as we wanted to show.

$^3$ We assume a generic situation, where the coefficient functions $C_{\pm}(p)$ do not vanish for $|{\rm Im}(p)|\to\infty.$

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