Taquión

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Puesto que un taquión se mueve siempre más rápido que la luz, no podría ser observado aproximándose. Poco después de que un taquión pasara cerca, podrían observarse dos reflejos de él, que se separan en direcciones opuestas. La línea negra es la onda de choque de la radiación de Cherenkov, representada sólo para un instante de tiempo. El efecto de doble imagen es tanto más importante para un observador situado sobre la trayectoria de un objeto superlumínico (en este ejemplo, una esfera, representada en gris). La forma azulada de la derecha es la imagen formada por efecto Doppler de la luz llegando al observador, que está situado en el vértice de las líneas negras de Cherenkov de la esfera que se aproxima. La imagen izquierda está formada por la luz con corrimiento al rojo de la luz que abandona la esfera después que esta sobrepase al observador. Puesto que el objeto llega antes que su luz, el observador no ve nada hasta que la esfera empieza a sobrepasar al observador.

Un taquión (del griego ταχυόνιον takhyónion de ταχύς takhýs 'rápido, veloz') es cualquier partícula hipotética capaz de moverse a velocidades superlumínicas. A los taquiones se les atribuyen muchas propiedades extrañas, sobre todo por parte de los autores de ciencia ficción.

Descripción física[editar]

En términos de la teoría de la relatividad especial de Einstein, un taquión es una partícula hipotética con un cuadrimomento de tipo espacial. Esto implica que si su energía y momento son reales, su masa en reposo convencional aparente sería un número imaginario. Por lo que la norma de Minkowski de su cuadrimomento sería negativa, ya que:

\sum_{a=0}^3 P^aP_a  = \frac{E^2}{c^2} - p_x^2 - p_y^2 - p_z^2 = m^2c^2

El tiempo propio que experimenta un taquión es también imaginario. Un curioso efecto es que a diferencia de partículas imaginarias, la velocidad de un taquión crece cuando su energía decrece. Esto es una consecuencia de la relatividad especial debido a que, hipotéticamente, un taquión tiene masa cuadrada negativa. De acuerdo con Einstein, la energía total de una partícula es la suma de la masa en reposo multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado y la energía cinética del cuerpo. Si m denota la masa en reposo, entonces la energía total viene dada por la relación:

E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}

Para materia ordinaria, esta ecuación demuestra que E aumenta con la velocidad, convirtiéndose infinita a medida que v (velocidad) se aproxima a c, la velocidad de la luz. Si m es imaginaria, por otra parte, el denominador de la fracción necesita ser imaginario para mantener a la energía como un número real. El denominador sería imaginario si el número en la raíz cuadrada es negativo, lo cual solo pasa si v es mayor que c.

Un taquión está limitado a la porción de tipo espacial del gráfico de energía-momento. Por tanto, nunca puede ir a velocidades inferiores a la de la luz. Curiosamente, mientras su energía disminuye, su velocidad aumenta.

Si existieran los taquiones y pudieran interactuar con la materia ordinaria, podría violarse el principio de causalidad.

En la teoría de la relatividad general, es posible construir espacio-tiempos en los cuales las partículas se propaguen más rápidamente que la velocidad de la luz, relativo a un observador distante. Un ejemplo es la métrica de Alcubierre. Sin embargo, estos no serían taquiones en el sentido anterior, puesto que no superarían la velocidad de la luz localmente.

Teorías de campo y cuerdas[editar]

En la teoría cuántica de campos, un taquión es el cuanto de un campo, usualmente un campo escalar el cual tiene una masa al cuadrado negativa. La existencia de tal partícula es un significado de la inestabilidad del vacío espacio-temporal, porque la energía del vacío tiene un máximo en vez de un mínimo. Un pequeño impulso podría causar una decadencia de amplitudes exponenciales que al mismo tiempo podrían inducir a una condensación de taquiones. El mecanismo de Higgs es un ejemplo elemental, pero es bueno darse cuenta que una vez que el campo taquiónico alcanza el mínimo de su potencial, su cuanta dejan de ser taquiones para convertirse en bosones de Higgs con masa positiva.

Los taquiones se encuentran en muchas versiones de la teoría de cuerdas. En general, la teoría de cuerdas establece que lo que vemos como "partículas" —electrones, fotones, gravitones, etc.— son en realidad diferentes estados vibratorios de la misma cuerda. La masa de una partícula puede ser deducida como de la vibración ejercida por la cuerda; en otras palabras, la masa depende de la nota que la cuerda este tocando. Los taquiones frecuentemente aparecen en el espectro de estados de cuerdas permisibles, como queriendo decir que en algunos estados tienen masas al cuadrado negativas, y por lo tanto masas imaginarias.

Masa imaginaria[editar]

Partiendo de la ecuación de la Teoría de la relatividad:

E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}

Factorizando el -1 en el denominador y operando:

E = \frac{mc^2}{\sqrt{-1\cdot(\frac{v^2}{c^2} -1})}= \frac{mc^2}{\sqrt{-1}\cdot\sqrt{\frac{v^2}{c^2} -1}}

Cambio de variable :i = \pm\sqrt{-1} luego se multiplica el numerador y denominador por i:

E = \pm\frac{imc^2}{i^2\sqrt{\frac{v^2}{c^2} -1}}

Si se define formalmente una "masa del taquión" mediante M_t = im\, se tiene:

E = \pm\frac{M_tc^2}{\sqrt{\frac{v^2}{c^2} -1}}.

Se analiza la raíz y se obtiene que para que sea real, v > c\,, la velocidad de la partícula debe ser mayor que c (velocidad de la luz).

Interpretación[editar]

En mecánica cuántica y teoría cuántica de campos un valor imaginario de la masa o la energía puede ser interpretado como una partícula inestable que decae en otras partículas, o como un estado inestable del vacío que da lugar a otros estados. En concreto la parte imaginaria de la energía está directamente relacionada con el tiempo de desintegración de dicho estado. Así los estados con energía real al ser su parte imaginaria nula pueden existir por tiempo indefinido. Para los estados o partículas con masa o energía imaginaria el tiempo de desintegración es inversamente proporcional a la parte imaginaria:

\tau_{des} = \frac{2\pi \hbar}{|\mbox{Im}\ E|}

Siendo E la energía total compleja y siendo \hbar la constante de Planck (partida de 2 pi) según el cociente entre la parte real e imaginaria de la energía μ = (Re E)/(Im E) las partículas inestables pueden clasificarse en:

  • Partículas inestables de masa determinable \mu > 1\;.
  • Resonancias \mu \approx 1.
  • Partículas taquiónicas \mu < 1\;.

Ciencia ficción[editar]

En la ciencia ficción ha existido de forma magistral el uso de los taquiones como un todo que responde a la gran interrogante sobre cómo viajar y ser el amo del tiempo. Algunos ejemplos:

  • El popular personaje de la compañía estadounidense de historietas, DC Comics, The Flash (cómic), tiene su homólogo temporal en el siglo 27, cuando John Fox, científico, descubre por accidente las propiedades extraordinarias de los taquiones al experimentar en su propio cuerpo los riesgos de su "Teoría de la Velocidad por Reposo", desafiando considerablemente las leyes de la física y utilizando su hipervelocidad para hacer viajes temporales, mediante las curvaturas espacio-tiempo.
  • También aparece en la película los 4 fantásticos cuando se les encarga buscar una anomalía espacial la cual desencadena en el encuentro del personaje Silver Surfer, la búsqueda y la captura consistía en un rayo taquiónico.
  • Los taquiones son utilizados comúnmente a lo largo de las series de Star Trek, y películas como Land of the Lost y K-Pax, en la que su protagonista Prot afirmaba viajar a velocidades de taquión.
  • En Expediente X (The X-Files), temporada 4 capítulo 19 "Sincronía", se hace referencia a los taquiones cuando un viejo llega del futuro para matar al grupo de científicos que hicieron posible "el mundo sin historia, sin esperanza, en donde todos sabían exactamente lo que iba a pasar".
  • Estos también son utilizados en la novela gráfica de Alan Moore Watchmen, en la cual los taquiones, según el Doctor Manhattan, son partículas que viajan hacia atrás en lo que los seres humanos percibimos como tiempo.
  • En la película K-Pax, el personaje que protagoniza Kevin Spacey -quien decía venir del espacio- también hace una mención a los taquiones en una de sus sesiones con su psiquiatra, encarnado por Jeff Bridges.
  • En la película "El Príncipe de las Tinieblas" de 1987, se hace mención del uso de una transmisión de TV desde el futuro modulando taquiones, para advertir a quienes reciban tal mensaje, acerca de la venida de Satanás al mundo, dicho mensaje llegaba al azar y quienes lo recibían lo consideraban un sueño, hasta que se percataban que entre ellos soñaban exactamente lo mismo. Al viajar más rápido que la luz, se podía transmitir un vídeo al pasado
  • También han sido empleados por el escritor ruso-americano Isaac Asimov en varios de sus cuentos, haciendo alusión a ellos en las transformaciones que la materia sufre cuando las astronaves de sus relatos se trasladan a velocidades superlumínicas (el "salto"), describiendo la transición de la transformación como tardión-taquión-tardión (ej. en el cuento "Coja una cerilla").
  • En el libro Flash Forward (Recuerdos del Futuro) del escritor Sawyer Robert J., se hace referencia a los taquiones en experimentos que realizan científicos del CERN en el acelerador de partículas.
  • La novela Timescape ("Cronopaisaje" en su traducción al Español) de Gregory Benford basa su trama en el uso de los taquiones como medio de comunicación intertemporal.
  • En las series televisivas del fallecido Gene Rodenberry, Star Trek La Nueva Generación y Star Trek Voyager, se hace un uso habitual de los taquiones, a los que les dan diferente empleo según las circunstancias.
  • En la serie de televisión Castle (temporada 6, episodio 5):como parte de la trama usan un generador de taquiones el cuál produce energía y permite viajes en el tiempo.
  • En el capítulo Los obstáculos de Leela la mutante adolescente de la serie de animación Futurama Fry, Leela, Amy, Hermes, Zoidberg y el profesor rejuvenecen debido al efecto de los taquiones.
  • En la serie animada de Max Steel (2013), la energía TURBO es un anergía ilimitada basada en la energía de taquiones.
  • En X-Men, el primer Samurái de Plata es un mutante con la habilidad de generar un campo de taquión, con el que puede rodear cualquier cosa. Él comúnmente utiliza su poder sobre su espada, lo que le permite cortar casi cualquier cosa, excepto adamantio

Bibliografía[editar]

  • O. Bilaniuk, E. C. G. Sudarshan: Tachyons. In: Physics Today. 22, 1969, H. 5 (Mai), ISSN 0031-9228, 1969, S. 43–51, sowie Leserbrief Diskussion: ebenda H. 12 (Dez.).
  • Gerald Feinberg: Possibility of faster than light particles. In: Physical Review. 159, 1967, ISSN 0556-2821, S.1089–1105.
  • Jayant Vishnu Narlikar: Cosmic tachyons – an astrophysical approach. In: American Scientist. 66, 1978, 9, ISSN 0003-0996, S. 587–593.
  • Erasmo Recami (Hrsg.): Tachyons, Monopoles and related topics. Proceedings of the 1st Session of the Interdisciplinary Seminars on „Tachyons and Related Topics“, Erice, 1 – 15 September 1976. North Holland, Amsterdam 1978, ISBN 0-444-85165-8.
  • Lawrence Schulman: Tachyon paradoxes. In: American Journal of Physics. 39, 1971, ISSN 0002-9505, S. 481–484, online (PDF; 523 KB).
  • E. C. G. Sudarshan: The theory of particles traveling faster than light 1. In: Lectures presented at the 1969 seventh anniversary symposium of the Institute of Mathematical Sciences, Madras, India. No. 7. Plenum Press, New York NY 1970, ISBN 0-306-37050-6, (Symposia on theoretical physics and mathematics 10), S. 129–151.
  • Yakov P. Terletskii: Paradoxes in the theory of relativity. Plenum Press, New York NY 1968, (2nd print: ebenda 1970).
  • Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit. Einsteins Erbe – Schwarze Löcher, Zeitreisen und Überlichtgeschwindigkeit. (Wie Hawking seine Wette verlor). 2. aktualisierte Auflage. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006, ISBN 3-440-09360-3 (mit einem ausführlichen Kapitel über Tachyonen).

Enlaces externos[editar]