Partículas superlumínicas con causalidad

Question

¿Qué tipo de teorías CLÁSICAS permitirían la existencia de verdaderas partículas superlumínicas (no aparentes) (más allá de la velocidad de la luz, BSOL) que concuerdan con la causalidad? Es decir, ¿están prohibidos los objetos superlumínicos causales clásicos en cualquier teoría? Por favor, tenga en cuenta que los "prejuicios"/hipótesis para esta pregunta son:

1er. Classicality ansatz. Una teoría clásica se define como una teoría que contiene (probablemente) SR como (baja energía, o algún otro parámetro) límite. No la restrinjo a la invariancia habitual de Lorentz. Así que, quizás, el término "clásica" debería complementarse con invariancia clásica (de grupo).

2ª. Hipótesis de causalidad. Causalidad en el sentido físico habitual, es decir, todo efecto va precedido de alguna causa.

3ª. Superluminosidad. "Definición" BSOL: una partícula superlumínica es cualquier objeto que puede viajar a mayor velocidad que la luz (conocida) "en el vacío", es decir $c$ sin violar las dos hipótesis anteriores, a saber, la "clasicidad" y la "causalidad".

Así que mi pregunta también puede formularse del siguiente modo: ¿podemos construir una teoría física "sensata" en la que se cumplan los 3 postulados anteriores?

En el contexto de la relatividad 3+1, con c como velocidad invariante es imposible. Pero, ¿es toda teoría con superluminalidad verdadera necesariamente una teoría que viola la causalidad (CV)?

Answer 1

Las partículas superlumínicas (las llamamos elvisebriones) son posibles si existe un sector oculto que, o bien no es invariante de Lorentz, o bien lo es pero con una velocidad límite diferente. Discutimos esta posibilidad de forma bastante entretenida en https://arxiv.org/abs/2107.10739 (¿Relatividad 4-ever?).

Por cierto, la hipótesis del taquión fue sugerida por primera vez mucho antes por Lev Yakovlevich Shtrum en 1923 (véase el artículo citado y las referencias que contiene).

Zurab Silagadze.

Answer 2

Buena pregunta.

No entiendo muy bien las posibilidades de violación de Lorentz, así que sólo intentaré comentar las teorías invariantes de Lorentz.

Los trabajos clásicos son Tolman 1917, Bilaniuk 1962 y Bilaniuk 1969. Bilaniuk 1969 se puede encontrar fácilmente en Internet buscando en Google, y ofrece una buena visión general. Tolman propuso una paradoja de causalidad que implicaba taquiones, conocida como el antitelefonema de Tolman. Bilaniuk et al. afirmaron resolver los problemas de causalidad, básicamente diciendo que cuando hacemos una transformación de Lorentz que resulta en un taquión que retrocede en el tiempo, lo reinterpretamos como una antipartícula que avanza en el tiempo. Hoy en día, algunas personas parecen creer que esto resolvió las paradojas, pero la opinión mayoritaria parece ser que no fue así. Yo no creo que las resuelva. Su descripción implica procesos como un taquión cuya línea del mundo es un segmento de línea que conecta los sucesos A y B, y para el que los observadores tanto en A como en B creen que transmitieron el taquión en lugar de recibirlo. A mí esto me parece una clara violación de la causalidad, y parece que Bilaniuk no ha hecho más que reetiquetar algunos de los sucesos implicados en la paradoja.

Es posible tener dos taquiones con sus cuatro-momentos elegidos de tal forma que el cuatro-momento total sea cero. Esto significa que cualquier teoría que incluya taquiones permite que pares de ellos aparezcan o desaparezcan espontáneamente. En una teoría clásica, parece difícil conciliar estos sucesos espontáneos con la causalidad. En la interpretación de Bilaniuk, las tasas de emisión en un fotograma corresponden a las tasas de absorción en otro fotograma. También en este caso es difícil conciliarlo con la causalidad.

Báez ofrece un punto de vista más moderno. La ecuación de onda para un campo taquiónico tiene soluciones de energía real más soluciones de energía imaginaria que se expanden exponencialmente. Las soluciones exponenciales son claramente antifísicas, pero si las excluimos, no obtenemos unicidad y existencia de soluciones para los problemas de Cauchy. En mi opinión, la unicidad y existencia de soluciones a los problemas de Cauchy es una buena definición de causalidad.

Báez, http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/tachyons.html

Bilaniuk, Deshpande y Sudarshan, '"Meta" Relatividad,' Am J Phys 30 (1962) 718

Bilaniuk y Sudarshan, "Partículas más allá de la barrera de la luz", Phys. Today 22, 43 (1969)

R. C. Tolman, The Theory of Relativity of Motion (Berkeley, 1917), p. 54

Answer 3

Sobre más rápido que la luz...

Conozco (de hecho aún estoy estudiando) diferentes extensiones de la relatividad. Surgen naturalmente algunas opciones:

1) Sí, Ben... La metarrelatividad de Sudarshan (y Recami) es una "opción", algo anticuada. Problemas: los taquiones aún no se han observado en la Naturaleza.

papel de metarelatividad metarelativity paper 2012

2) La relatividad ampliada de Carlos Castro/Matej Pavsic en los espacios C ofrece otra posibilidad. Se pueden tener diferentes tipos de velocidad en el espacio C. Por lo tanto, el truco utilizado allí para evitar el límite de la velocidad de la luz es añadir "grados de libertad adicionales" que viven en el espacio C. Nótese que también se mantiene la noción de relatividad invariante. Problemas: aparentemente no hemos descubierto ningún indicio experimental del espacio C. Relatividad en espacios C: revisión

3) Hace poco hablé de otra opción en mi entrada del blog, algo bastante desconocido para muchos físicos (o descuidado) y algo que los escritores de ciencia ficción no entienden. El hipertiempo. Si tienes "nuevas" dimensiones temporales y diferentes velocidades de la luz, o incluso si tienes múltiples tiempos y la misma velocidad invariante, puedes modificar el límite de la velocidad de la luz. Es el hipertiempo y no el hiperespacio lo que hace posible el movimiento más rápido que la luz. Nótese que incluso se puede mantener una noción de velocidad invariante. relatividad cristalina

Problema: aparentemente, la simetría de Lorentz se mantiene aún en cualquier experimento, por lo que la métrica Kalitziniana (métrica semiriemanniana) no ha aparecido aún en la Naturaleza (incluso la hipótesis del cuasicristal del espaciotiempo es descabellada, pero el propio Wilczek o Petr Jizba han propuesto ideas similares...). i) Cristales de tiempo ii) Cristales de tiempo II iii) Cristal del mundo

4) El truco de la relatividad general a través de agujeros de gusano (es decir, conexiones topológicas no triviales entre dos puntos del espaciotiempo) o a través de los motores warp de Alcubierre. Problema: inestabilidades cuánticas conocidas y violaciones de la condición de energía débil.

agujeros de gusano alcubierre drive

Hace algún tiempo, incluso se criticó algo como la Condición de Energía Débil (creo que ahora no hay tal oposición a la CME), pero creo que el problema principal es, por supuesto, la teoría cuántica (algo que dejé en la pregunta original y que merecería una investigación/hilo adicional para cualquiera de estas 4 opciones o respuestas).

¿Y la clasicidad? Con un análisis cuidadoso, las 4 opciones anteriores pueden considerarse "clásicas".

¿Y la causalidad? Nadie entiende lo que es el tiempo y un cambio en nuestra noción de simetría fundamental y de lo que significa "un reloj" debería evitar los problemas de causalidad. De hecho, con múltiples dimensiones temporales, es difícil comprobar si lo que las violaciones de la causalidad causan en el tiempo 1d podría ocurrir en el tiempo nd... Y no estoy seguro de cómo las teorías multitemporales pueden evitar la causalidad, pero creo que podría ser posible. Nótese que ha habido estudios de mecánica con tiempos múltiples en la literatura reciente.