Тахионы

Второе свойство тахионов, которое серьезно отличает их от обычных частиц, связано с зависимостью значений энергии и последовательности событий во времени от относительного движения наблюдателей. Для обычных частиц энергия — это число, которое изменяется при переходе от наблюдателя к наблюдателю, но остается всегда положительным. В то же время, если энергия тахиона положительна для одного наблюдателя, она может быть отрицательной для другого наблюдателя, движущегося относительно первого. Вследствие законов теории относительности для тахионов справедливо следующее утверждение: энергия тахиона всегда меньше произведения его импульса на скорость света с; это замечание не имеет места для обычных частиц. Если тахионы отрицательной энергии испускаются невозбуждаемыми атомами обычной материи, то испускающие атомы должны быть нестабильными, и, тем самым, существование таких тахионов находится в противоречии с установленной на опыте стабильностью обычной материи.

Изменение знака энергии тахиона при переходе от наблюдателя к наблюдателю связано с другим странным свойством тахионов. Если один наблюдатель видит, что обычная частица была испущена (скажем, атомом А) в некоторый момент времени и поглощена где-то (атомом Б) в последующий момент времени, то всякий другой наблюдатель, движущийся относительно первого, увидит этот процесс в той же хронологической последовательности — испускание атомом А предшествует во времени поглощению атомом Б — хотя временной интервал и будет меняться от наблюдателя к наблюдателю. В то же время тахионы из-за того, что они движутся быстрее света, могут двигаться между точками в «пространстве — времени», хронологическая последовательность которых может меняться от наблюдателя к наблюдателю. Следовательно, если один из наблюдателей увидел тахион, испущенный атомом А в момент времени t1 и поглощенный атомом Б в последующий момент времени t2, то другой наблюдатель может найти, что момент времени t1' который соответствует t1, является более поздним, чем момент времени t2, который соответствует t2'. Если это имеет место, то второй наблюдатель естественно должен интерпретировать эту цепочку событий следующим образом: тахион испускается атомом Б поглощение должны взаимно превращаться друг в друга в случае изменения скорости наблюдателя. Это означает, что между этими двумя процессами в данном случае существует более тесная связь, чем для обычных частиц.

Это означает также, что число тахионов, находящихся в некоторой области пространства, должно меняться от наблюдателя к наблюдателю (рис. 7.2). Предположим, что один из наблюдателей видит процесс испускания тахиона атомом с последующим удалением тахиона на бесконечность. Другой наблюдатель может наблюдать тот же процесс так, как будто тахион прилетает из окружающего пространства и поглощается атомом. Поэтому между этими двумя наблюдателями будут разногласия относительно числа тахионов, присутствующих в системе в прошлом и в будущем. Такая ситуация опять-таки не похожа на ситуацию с обычными частицами, когда число частиц, имеющихся в произвольный момент времени,

не зависит от наблюдателя. Детальная теория взаимодействия тахионов с обычной материей, которая пока еще не разработана, должна учитывать отмеченные особенности.

Убедившись в том, что существование частиц, движущихся быстрее света, не влечет за собой каких-либо противоречий с теорией относительности, следует, тем не менее, предоставить решение вопроса о реальном существовании таких объектов в природе физикам-экспериментаторам. При существующем уровне развития теоретической физики имеется немного аргументов, в силу которых теория категорически предсказывает существование каких-то новых объектов. Напротив, известные теории, вообще говоря, лишь представляют возможность для описания различных гипотетических объектов, и нам следует придумать эксперименты, в которых эти объекты можно было бы реально обнаружить. Например, имеющиеся теории не запрещают существования частиц с электрическим зарядом, равным половине заряда электрона, и с массой, равной шести электронным массам. Однако проведенные до сих пор эксперименты довольно убедительно свидетельствуют о том, что такие объекты в природе не встречаются. Мы не знаем, однако, почему это имеет место, и не сможем узнать об этом до тех пор, пока не будет создана более фундаментальная теория элементарных частиц, чем имеется сейчас.

В проблеме тахионов ситуация совершенно аналогична; окончательное решение.. вопроса об их существовании может принадлежать только экспериментаторам. Это не значит, однако, что они должны надеяться лишь на то, что им удастся наткнуться на тахионы где-то во Вселенной. Одной из особенностей всех теорий элементарных частиц, использующих теорию относительности, является следующее обстоятельство. В них подразумевается, что если частицы определенного типа вообще существуют, то они могут быть рождены другими частицами, если последние обладают достаточной энергией. Для тахионов условие, связанное с достаточностью энергии, удовлетворить особенно легко: быстрые тахионы обладают очень низкой энергией. Поэтому нетрудно представить себе условия эксперимента, в котором тахионы, если они вообще существуют, могли бы порождаться другими частицами. Единственный неизвестный фактор, кроме самой гипотезы существования тахионов,— это вероятность, с какой они могли бы рождаться. Среди известных частиц вероятности рождения при столкновениях различаются по величине на много порядков. Пионы, например, рождаются довольно легко, тогда как нейтрино — очень трудно. В силу этих обстоятельств положительный результат эксперимента, конечно, подтвердит существование тахионов. Однако отрицательный результат может в лучшем случае установить лишь верхний предел вероятности, с которой тахионы могут быть рождены обычными частицами. Только установление того факта, что эта вероятность во всех изученных процессах оказывается намного меньше вероятности рождения любой другой частицы, могло бы привести к выводу, что тахионы, вероятно, вообще не существуют.

До сих пор были предприняты две попытки экспериментального рождения и обнаружения тахионов. Эти эксперименты были чувствительны к столь различным типам тахионов и в них были использованы столь разные методы обсуждения последних, что имеет смысл обсудить их по отдельности. Первый эксперимент, который был поставлен два года назад в Принстонском университете Торстеном Альвагером и Майклом Н. Крайслером, ставил перед собой целью поиск электрически заряженных тахионов. Как известно, около 35 лет назад было установлено, что электрически заряженные частицы могут рождаться парами при прохождении через вещество ***-квантов (фотонов) высокой энергии. Многие известные сейчас заряженные элементарные частицы были впервые воспроизведены именно таким путем. Отсюда следует, что если электрически заряженные тахионы существуют, то их в принципе можно породить с помощью фотонов. Как отмечалось выше, поскольку тахионы могут иметь нулевую полную энергию, пара заряженных тахионов может быть рождена фотоном любой энергии. В то же время пара обычных заряженных частиц может быть рождена только таким фотоном, который обладает энергией, более чем вдвое превышающей энергию покоя каждой из заряженных частиц.

Допустим теперь, что нам удалось породить заряженные тахионы. Возникает вопрос: как в этом случае можно было бы их обнаружить и отличить от других заряженных частиц, которые могут быть рождены тем же способом, например от электрон-позитронной пары? Самый подходящий способ обнаружения — это использование того факта, что заряженные тахионы должны непрерывно излучать фотоны даже при движении через пустое пространство. Это явление, названное излучением Черенкова по имени русского физика, впервые наблюдавшего его при движении электронов в 1934 г., имеет место тогда, когда заряженный объект движется через вещество со скоростью, превышающей скорость света в данном веществе. Таким образом, электрон, движущийся в стекле со скоростью большей чем 0,7с, будет испускать излучение Черенкова, поскольку скорость света в стекле составляет около 0,7 от ее значения в пустоте. Поскольку скорость тахиона больше скорости света в пустоте, следует ожидать, что тахион должен испускать черенковское излучение даже в вакууме.

Расчеты подтверждают это предположение: свет должен испускаться под характеристическим углом, зависящим только от скорости тахиона (рис. 7.3). Вычисления также показывают, что тахион с зарядом, равным заряду электрона, должен терять энергию за счет излучения Черенкова невероятно быстро. Даже если он рождается с очень высокой энергией, она уменьшается до величины менее 1 эв при прохождении всего 1 мм пути. Если такое произойдет, то излучение Черенкова не будет более представлять собой видимый свет, энергия фотонов которого превышает 2 эв. В этом случае это излучение содержит фотоны инфракрасного и более длинноволновых участков спектра, которые фиксировать гораздо труднее. Чтобы

обойти эту трудность, экспериментаторы из Принстона использовали остроумную схему, которая позволяла каждому рожденному тахиону двигаться сквозь область, свободную от вещества, но содержащую электрическое поле. Электрическое поле передает энергию заряженным частицам, но в случае обычных частиц этот факт не приводит к излучению заметных количеств света. В то же время для тахиона, проходящего участок пути с включенным электрическим полем, за счет получаемой от него энергии достигается равновесие между этой энергией и энергией, теряемой на излучение. В силу этого он будет продолжать излучать фотоны примерно одинаковой равновесной энергии. Меняя значение напряженности поля, экспериментаторы могли выбрать эту равновесную энергию так, чтобы она соответствовала излучению фотонов видимого света. Это должно было позволить без труда наблюдать это излучение.

В своих экспериментах Альвагер