Существуют ли частицы, ускоряющие свет?

Ни одна известная частица не движется быстрее света. Однако некоторые физики предположили, еще в статье Physical Review, опубликованной в июле 2024 года, гипотетическую марку элементарных частиц, которые могли бы это делать. Эти частицы называются тахионами.

Если тахионы существуют, их можно использовать для передачи сигналов в прошлое. Это нарушило бы причинно-следственные связи согласно специальной теории относительности Эйнштейна, что привело бы к так называемому парадоксу дедушки, когда вы могли бы отправиться в прошлое и взаимодействовать со своим дедушкой, чтобы предотвратить собственное рождение. Скорость тахионов увеличивается с уменьшением энергии. Экспериментальных доказательств существования тахионов не существует.

В сентябре 2011 года эксперимент OPERA в ЦЕРНе сообщил, что нейтрино движутся быстрее света, но позже были получены уточнения, что этот вывод стал результатом неисправности волоконно-оптического кабеля в экспериментальной системе синхронизации.

Конечно, лабораторные ограничения зависят от типов взаимодействий, которыми обладают тахионы. Если тахион обладает значительными взаимодействиями с частицами Стандартной модели, можно ожидать, что нам будет особенно легко найти сигналы, которые не видны из нашего будущего. Более того, можно ожидать, что мы уже нашли доказательства существования тахионов с помощью прецизионных лабораторных исследований в ЦЕРНе или детекторов частиц различных типов.

С другой стороны, возможно, что тахионы взаимодействуют с обычной материей слабее, чем нейтрино. В пределе крайне слабых взаимодействий это означало бы, что тахионы могут быть ограничены только гравитационными тестами, поскольку гравитация универсальна для всех частиц и является единственным взаимодействием, которое нельзя обойти стороной. Это предельный случай, когда возможные теоретические проблемы и прямые наблюдательные ограничения сведены к минимуму.

Тем не менее, даже если взаимодействие является только гравитационным, можно найти косвенные способы ограничения существования тахионов.

Целый ряд астрофизических наблюдений, от рентгеновских бинаров звезды, питающей черную дыру, до источников гравитационных волн LIGO, показывает, что черные дыры звездной массы существуют и живут миллиарды лет. Тахионы должны быть совместимы с этим фактом.

В новой работе, которую я только что написал вместе с блестящими Марком Херцбергом и Эйданом Морхаусом, показано, что длительное существование черных дыр можно использовать для исключения массивных тахионов. Идея проста. Черные дыры можно рассматривать как идеальную тюрьму, но только для частиц, скорость которых не превышает скорость света. Тахионы могут квантово-механически вырваться из окрестностей черных дыр и заставить их испаряться более интенсивно, чем рассчитал Стивен Хокинг в своей знаменитой работе 1974 года.

Основываясь на классической (неквантовой) физике, мы можем спросить, могут ли тахионы покинуть черную дыру. Это кажется правдоподобным, учитывая, что они движутся быстрее света. Однако в нашей работе показано, что с точки зрения удаленного наблюдателя даже тахионы не убегают. Однако тахионы могут квантово-механически выходить из черных дыр.

В нашей работе мы рассчитали хокинговское излучение тахионов и обнаружили, что для тяжелых тахионов возникающий поток энергии резко возрастает по сравнению со стандартным хокинговским излучением фотонов. Это приводит к тому, что черные дыры быстро испаряются, если тахионы достаточно массивны. Мы используем это понимание, чтобы установить прямую нижнюю границу на массу любого тахиона.

В нашей работе получены прямые наблюдательные ограничения на тахионы. Мы рассчитали хокинговское излучение тахионов от черных дыр и обнаружили, что оно значительно усиливается в присутствии тяжелых тахионов. Для черной дыры с массой M и тахионов с массой m время жизни черной дыры пропорционально M/m2. Это означает, что наблюдение астрофизических черных дыр с массой в несколько солнечных масс и временем жизни в несколько миллиардов лет исключает существование тахионов с массой m, превышающей в миллиард раз массу протона.

Другими словами, не может быть никаких тахионов, связанных с масштабами Великого объединения или Квантовой гравитации в пределах десятой миллиардной доли массы Планка, которая в 10^{19} раз больше массы протона. В результате, хотя уже есть теоретические причины скептически относиться к существованию тахионов на основе причинности, наша работа предоставляет новое наблюдательное ограничение, основанное на длительном сроке жизни астрофизических черных дыр.

Будущее открытие первозданных черных дыр в диапазоне масс астероидов 10^{17}-10^{21} грамм, которые потенциально могут представлять собой темную материю, исключит существование тахионов с массами, в 7-700 раз превышающими массу протона.

Конечно, если мы когда-нибудь столкнемся с событиями из будущего поколения коллайдеров частиц в ЦЕРНе или с тем, что было до Большого взрыва, нам придется пересмотреть возможное существование тахионов.

Исследование тахионов и их возможного влияния на высоколетящие астрофизические объекты, такие как черные дыры, стало актуальным направлением научного поиска, обнажающим скрытые загадки физики. Даже несмотря на отсутствие экспериментальных данных о тахионах, которые могли бы подтвердить или опровергнуть их существование, проводимые теоретические исследования создают основу для новых границ в понимании материи и взаимодействий в рамках Стандартной модели.

Как мы выяснили, рассматривая существование тахионов, мы сталкиваемся с парадоксами, которые затрагивают вопросы причинности и временных линий, вызывая необходимость в переосмыслении нашего восприятия времени и пространства. Запутанные квантовые состояния и теория относительности Эйнштейна показывают свои пределы, когда мы пытаемся пройти за границы известного. Если тахионы действительно могут движутся быстрее света, это открывает удивительные возможности, но также и серьезные парадоксы.

Важно отметить, что наши результаты о хокинговском излучении тахионов могут обернуться решающими для дальнейших исследований. Установление нижней границы на массу тахионов, основываясь на длительности существования черных дыр, является очень многообещающим шагом. Это может направить исследователей к новым, более конкретным экспериментальным проверкам, возможно, даже в рамках текущих коллайдерных проектов или актуальных астрофизических наблюдений.

Смертность черных дыр в зависимости от массы тахионов наводит на мысль также о других астрономических явлениях. Например, мы могли бы искать корреляции между потоками энергии из черных дыр и теоретическими предсказаниями о возможных присутствиях тахионов во вселенной. В то же время, пересмотр парадигм о черных дырах как о совершенно «темных» объектах может открыть новые горизонты для исследования не только тахионов, но и других идеализируемых частиц, о которых мы пока не знаем.

Кроме того, наше понимание темной материи также может извлечь выгоду из этого исследования. Если когда-либо будут обнаружены первозданные черные дыры, то изучение их масс в диапазоне, упомянутом в вашей работе, может позволить исследовать дальнейшие ограничения для тахионов и помочь в прояснении сущности темной материи, с которой мы сталкиваемся, но нах- слываем неясность. Обрати внимание, что темная материя и темная энергия продолжают оставаться ключевыми компонентами в нашем понимании бытия, несмотря на их неуловимость.

Продолжая исследования в этом направлении, мы поднимаем важные вопросы о природе реальности, времени и материи. Каковы будут следующие шаги в исследовании тахионов? Возможно, больше внимания следует уделить экспериментальным условиям, использующим как астрофизические явления, так и возможности, предложенные коллайдерами. Возможно, однажды мы сможем определить, будем ли признаны тахионы частью экзотической элементарной физики или же мы оставим их в мире гипотез.

Таким образом, открытие взаимосвязи между черными дырами и гипотетическими тахионами не только продвигает нашу научную картину, но и акцентирует внимание на том, сколько еще мы не знаем. Физика продолжает оставаться загадочной и захватывающей областью, в которой каждое новое открытие может изменить наше понимание существования, времени и самой материи.