29/11/2015

Taquião


Um taquião é uma partícula hipotética que se move sempre mais rápido do que a luz.
George Sudarshan, num artigo de 1962 propôs pela primeira vez a existência de taquiões. A palavra vem do grego "Tachy" que significa "leve, rápido" e foi Gerald Feinberg que cunhou o termo. A maioria dos físicos pensa que os taquiões não podem existir pois não são consistentes com as teorias da física conhecidas. Se tal partícula existisse, poderia ser usada para construir um anti-telefone taquiónico e enviar sinais mais ráidos do que a luz, o que de acordo com a Relatividade Especial, iria levar a violações da causalidade. A transmissão  de informação para o passado é conhecido como o Paradoxo de Tolmen. No entanto, aplicando os resultados da mecânica quântica, é possível mostrar que se os taquiões existem então é, obrigatoriamente, válida uma das duas situações:
  1. Estão localizados e neste caso a informação transmitida por eles viaja com v
  2. Não estão localizados e carregam informação com v>c.

Teorias potencialmente consistentes que permitem a existência de partículas mais rápidas do que a luz, incluem aquelas que rompem com a Invariância de Lorentz, a simetria subjacente à Relatividade Especial, e aí a velocidade da luz não é uma barreira.
No artigo de 1967, em que Feinberg cunhou o termo, o autor propôs que os taquiões poderiam ser quanta de um campo quântico com massa ao quadrado negativo. No entanto, logo se percebeu que a excitação de tais campos de massa imaginária não propagam mais rápido do que a velocidade da luz e em vez disso, representam uma instabilidade conhecida como Condensação de Taquiões. Todavia, os campos de massa ao quadrado negativo são geralmente designados como taquiões, e de facto tem vindo a desemp+enhar um papel importante na física moderna.
Apesar dos argumentos teóricos contra a existência de partículas mais rápidas do que a velocidade da luz, têm sido conduzidas pesquisas experimentais no sentido de as encontrar, no entanto ainda não foi encontrada nenhuma prova que corrobore a sua existência.
Em Setembro de 2011, foi anunciado que um neutrino tinha viajado  mais rápido que a velocidade da luz, numa experiência no CERN, mas em actualizações posteriores do CERN, no projecto OPERA, foi dito que esses resultados se deveram a "um elemento defeituoso do sistema de cronometragem da fibra óptica da experiência".  É importante referir que muitos físicos deduzem a existência de uma ligação entre as propriedades do neutrino e os teóricos taquiões. 

Observação de um Taquião

Dado que um taquião se move mais rápido do que a velocidade da luz, não podemos vê-lo a aproximar-se. Após a passagem de um taquião, um observador deveria ser capaz de observar duas imagens, com direcções opostas.



Na imagem a linha preta representa a onda de choque da radiação Cherenkov, que aparece apenas num momento no tempo. O efeito de dupla imagem é provocado por um objecto mais rápido que a luz, representado a cinzento. No sentido direito, a forma azulada representa a imagem formada pela luz azul com deslocamento Doppler que chega ao observador - que se encontra localizado no vértice das linhas negras de Cherenkov - a partir da esfera que se aproxima. No sentido esquerdo, a imagem avernelhada é formada a partir da luz com desvio para o vermelho, que sai da esfera, passando pelo observador.
Uma vez que o objecto chega antes da luz, o observador não o vê, até que a esfera comece a passar por ele. Após a passagem, a imagem como vista pelo observador divide-se em duas: uma esfera de chegada  (à direita) e outra, a esfera de partida (à esquerda.

Os Taquiões e a Relatividade Especial

Em termos da Teoria da Relatividade Especial de Einstein, um taquião é uma partícula com um quadrimento de tipo especial. Isto implica que a sua energia e momento são reais, e a massa, quando em repouso convencional aparente, seria um número imaginário. Pela norma de Minkowski o seu quadramento seria negativo. 
Assim temos, 



O tempo próprio experimentado por um taquião é imaginário. Um efeito curioso é que diferentemente das partículas imaginárias, a velocidade de um taquião cresce quando a energia decresce. Esta é uma consequência da relatividade especial devido ao facto de, hipoteticamente, um taquião ter massa ao quadrado negativa. De acordo com Einstein, a energia total de uma partícula é a soma da massa em repouso multiplicada pela velocidade da luz ao quadrado e a energia cinética do corpo. Se m é a massa do corpo em repouso, a energia total vem de:



Para a matéria comum, esta equação demonstra que E aumenta com a velocidade, tornando-se infinita quando v (velocidade) se aproxima de c, a velocidade da luz.
Esta equação mostra que a totalidade da energia de uma partícula, bradião (bradyon em inglês) ou taquião contém uma pequena parte da sua massa em repouso (a "massa-energia em repouso") e uma parte do seu movimento, a energia cinética. Quando v é maior do que c, o denominador na equação para energia é imaginário, uma vez que o valor sob a raíz quadrada é negativo. E porque o total da energia tem de ser real, o numerador tem de ser, igualmente, imaginário, i.e., a massa em repouso m tem de ser imaginária, pois um número imaginário puro dividido por outro número imaginário puro, é um número real.

Velocidade

Um efeito curioso é o de, ao contrario das partículas comuns, a velocidade de um taquião aumenta à medida que a energia diminui. Em particular, E aproxima-se de zero quando v se aproxima do infinito. (Para matéria bradiónica comum, E aumenta com o aumento da velocidade, tornando-se maior à medida que v se aproxima de c.) Logo, tal como os bradiões estão impedidos de ir para além da barreira da velocidade da luz, os taquiões estão impedidos de ir a velocidades menores do que c, pois é necessária energia infinita para chegar à barreira em ambos os casos.
Como observaram Einstein, Tolman e outros, a relatividade especial implica que partículas mais rápidas do que a luz, se existindo, poderiam ser usadas para comunicar para trás no tempo.

Neutrinos

Em 1985 Chodos propôs que os neutrinos podem ter uma natureza de taquião. A possibilidade de as partículas do Modelo Standard se deslocarem a velocidades superluminais, podem ser modeladas pela Invariância de Lorentz de Violação dos Termos, por exemplo, no Modelo Standard de Extensão.
Neste quadro, os neutrinos experimentam a oscilação Lorentz-Violação e pode viajar mais rápido do que a luz a energias elevadas. ESta proposta obteve, no entanto, fortes críticas.

Radiação Cherenkov

Um taquião com carga elétrica iria perder energia em forma de Radiação Cherenkov - tal como acontece às partículas comuns carregadas, quando excedem a velocidade da luz. Um taquião carregado, a viajar no vacuo, sofre, portanto, uma aceleração constante temporal e, logo, a sua linha mundo (worldline) forma uma hipérbole no espaço-tempo. 
No entanto reduzir a energia de um taquião aumenta a sua velocidade, de tal forma que uma única hipérbole formada, pertence a dois taquiões de cargas opostas, com momento oposto (mesma magnitude, sinais opostos) que se aniquilam mutuamente quando chegam a uma velocidade infinita ao mesmo lugar no espaço. (A uma velocidade infinita os dois taquiões não têm energia e momentum finito de direções opostas, logo não há violação na sua aniquilação mútua. O tempo de aniquilação depende da estrutura.)
Até mesmo de um taquião electricamente neutro é de esperar que haja perda de energia através da radiação gravitacional Cherenkov, porque tem massa gravitacional, e, logo, aumenta de velocidade ao viajar, como descrito acima.
Se o taquião interagir com qualquer outra partícula, também pode irradiar energia Cherenkov para essas partículas.

Causalidade

A Causalidade é um principio fundamental da física. Se os taquiões conseguem transmitir informação mais rápido do que a luz, então de acordo com a relatividade eles violam a causalidade, levando a um paradoxo lógico do tipo "mata o teu próprio avô". Isto geralmente é mostrado com experiencias mentais como "o paradoxo do telefone-taquião".
O problema pode ser entendido em termos de relatividade de simultaneidade na relatividade especial, que diz que diferentes referenciais inerciais irão discordar se dois eventos em dois locais diferentes aconteceram "ao mesmo tempo" ou não. e também podem discordar na ordem dos dois eventos (tecnicamente, estes desacordos acontecem quando o intervalo espaço-tempo entre os eventos é tipo-espaço, o que significa que nenhum dos eventos se situa no futuro do cone de luz do outro).
Se um dos eventos representa o envio de um sinal de uma localização e o segundo evento representa a receção do mesmo sinal noutro local, então, enquanto o sinal estiver à velocidade da luz ou inferir, a matemática da simultaneidade assegura que todos os referenciais concordam que a transmissão-evento aconteceram antes da receção-evento. No entanto, no caso de um hipotético sinal a mover-se mais rápido do que a luz, iria sempre haver referenciais nos quais o sinal foi recebido antes de ter sido enviado, podendo-se dizer que o sinal regrediu no tempo. 
Porque um dos dois postulados fundamentais da relatividade especial  diz que as leis da física devem trabalhar no mesmo sentido em cada referencial inercial, se é possível para os sinais se moverem no sentido contrário no tempo em qualquer referencial, será possível em todos os referenciais. Isto significa que um observador A envia um sinal a um observador B, que se move mais rápido do que a luz no referencial de A mas para trás no tempo no referencial de B, e então B responde enviando um sinal mais rápido do que a luz no referencial de B, mas para trás no tempo no referencial de A. Poderia acontecer que A recebesse a resposta antes de enviar o sinal original, desafiando a causalidade em qualquer referencial e abrir a porta a diversos paradoxos sérios. 

Princípio da Reinterpretação

O Princípio da Reinterpretação afirma que um taquião enviado para trás no tempo pode ser reinterpretado como um taquião a viajar para a frente no tempo, porque os observadores não conseguem distinguir entre a emissão e a absorção dos taquiões. A tentativa de detectar um taquião do futuro (e violar a causalidade) iria na verdade criar o mesmo taquião e enviá-lo para a frente no futuro (o que é causal).
No entanto, este princípio não é muito aceite como resolução dos paradoxos. Invés, o que seria necessário para evitar paradoxos é que, contrariamente a qualquer partícula conhecida, os taquiões não interagem de forma alguma e não poderão nunca ser detectados ou observados.porque de contrário um feixe de taquião poderia ser modulado e usado para criar um anti-telefone ou um "auto-inibidor logicamente pernicioso". Acredita-se que todas as formas de energia  interagem, pelo menos a nível gravitacional, e muitos autores afirmaram que a propagação superluminal nas teorias de  Invariância de Lorentz levam sempre a paradoxos causais. 

Campos com massa imaginária

No artigo que cunhou o termo "taquião", Gerald Feinberg estudou o campo quântico invariante de Lorentz com massa imaginária. Porque a velocidade de grupo para tais campos é superluminal, ingenuamente pode parecer que as suas excitações se propagam mais rápido do que a luz. No entanto, rapidamente se entendeu que o grupo de velocidade superluminal não corresponde à velocidade de propagação de nenhuma excitação localizada (como uma partícula). Invés, a massa negativa representa uma instabilidade para a condensação do taquião, e todas as excitações do campo propagam-se subliminarmente e são consistentes com a causalidade. Apesar de não haver propagação mais rapida do que a luz, tais campos são referidos simplesmente como taquiões em muitas fontes.

Teorias de Violação de Lorentz

Nas teorias em que não é respeitada a invariância de Lorentz a velocidade da luz não é (necessariamente) uma barreira, e as partículas podem viajar mais rápido que a velocidade da luz sem energia infinita ou paradoxos causais. Uma classe de teorias de campo desse tipo são as chamadas Extensões do Modelo Standard. No entanto, as provas experimentais para a invariância de Lorentz são extremamente boas, então essas teorias são fortemente condicionadas.

Campos com termos cinéticos não canónicos

Ao modificar a energia cinética do campo, é possível produzir teorias de campo de invariância de Lorentz  com excitações que propagam superluminarmente. No entanto, tais teorias na sua generalidade não têm um problema Cauchy bem definido (devido a razões ligadas à causalidade referidas acima), e são provavelmente inconsistentes com a mecanicidade da teoria quântica.

História

Como anteriormente mencionado o termo "taquião" foi introduzido por Gerald Feinberg em 1967, num artigo intitulado "Possibilidades de Partículas Mais Rápidas do que a Luz". Feinberg inspirou-se por uma história de ficção científica "Beep" de James Blish. Estudou a cinética de tais partículas de acordo com a relatividade especial. No seu artigo, Feinberg também introduziu os campos com massa imaginária (atualmente também referidos como taquiões) numa tentativa para compreender a origem microfísica de tais partículas.
A primeira hipótese relativa a partículas mais rápidas do que a luz é muitas vezes atribuida ao físico alemão Arnold Sommerfeld em 1904, e discussões mais recentes ocorreram em 1962 e 1969.


Notas
Bradião  (bradyon, inglês) - Também conhecido como "taddyon" ou "ittyon" é uma partícula que viaja a uma velocidade menor do que a da luz. O termo bradião vem do grego "bradi" que significa lento, foi designado para contrastar com o termo "taquião" (leve, rápido, veloz).
Como previsto pela relatividade especial, uma vez que os bradiões viajam mais lento do que a luz, também podem ser definidos como partículas que têm uma massa em repouso diferente de zero. No entanto, se os taquiões existem (ver artigo principal), então nem todas as partículas são bradiões, uma vez que os taquiões também são massivos, mas com uma massa em repouso imaginária.
Todas as partículas que foram encontradas até ao momento são bradiões. Existem duas formas principais de definir os bradiões:
  1. Um bradião é qualquer partícula com massa em repouso real.
  2. A partir da afirmação 1. podemos usar o factor Lorentz para criar uma definição alternativa: um bradião é qualquer partícula que se move mais lento que a luz.
Se assumirmos a existência de taquiões, um bradião não é um sinónimo para "partícula massiva".




Fontes
wikipédia


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