Taquiones Revista de Divulgación Científica y Tecnológica

[El_Andaluz]

Si existieran, seria preciso encontrarlos; si no existieran, seria preciso explicar por qué.

E. C. George Sudarsham.

Desde hace mucho tiempo, la imaginación de los físicos se ha sentido atraída por la posible existencia de particulas que se desplacen en el vacio con velocidades superiores a las de la luz. Hasta donde sabemos, Lucrecio (ca. 50a.C.) fue el primero que se refirió, en De Rerum Natura, a objetos que deben ir más rápidamente y más lejos, y recorrer más espacio en el mismo tiempo, que los rayos del Sol cuando atraviesan los cielos. A traves de los siglos se ha especulado mucho sobre esta idea, sugerida - entre otros - por J.J. Thomson (1889), O.Heaviside (1892) y sobre todo, por el gran A. Sommerfeld (1904 y 1905). Mientras tanto, por motivos que veremos más adelante, el advenimiento de la teoría de la relatividad especial, formulada por Albert Einstein en 1905, difundió la convicción de que la velocidad de la luz en el vacío es el límite superior de todas las velocidades en el universo. En 1917, R.C.Tolman consideró haber demostrado que la existencia de partículas más veloces que la luz daría lugar a una paradoja: la posibilidad de transmitir información hacia el pasado, o el "antiteléfono".

Tales convicciones bloquearon durante varias décadas las iniciativas de investigar sobre velocidades superlumínicas. Más allá de un trabajo aislado del matemático italiano Somigliana, los primeros estudios que, en nuestro siglo, replantearon la cuestión fueron realizados por el francés H. Arzeliès (1955, 1958), el alemán H. Schmidt (1958), el japonés S.Tanaka (1960), el soviético Y.P.Terletsky (1960) y, principalmente, el indio E.C.George Sudarshan y sus colaboradores (1962). El camino abierto por este último fue seguido por muchos investigadores, entre los cuales se cuentan Jones y Feinberg, en los Estados Unidos, y el primer autor de esta nota y sus colegas, en Europa. Entre 1963 y 1966, Alväger condujo, en el instituto Nobel, las primeras investigaciones experimentales diseñadas para detectar partículas superlumínicas, bautizadas por Feinberg taquiones (de taxús - tacùV - pronto, rápido). Llamamos luxones (en este caso del latín lux) a las partículas que viajan con velocidades exactamente iguales a las de la luz, como los fotones, mientras que usamos el término bradiones (de bradús - bradùV - lento) para designar a objetos sublumínicos.

Recientemente, distintos resultados experimentales parecen sugerir la posible existencia de objetos que viajan a velocidades superiores a c, la velocidad de la luz en el vacío. Enumeraremos algunos al final del artículo, pero mencionaremos uno aquí. Consideremos una onda electromagnética (por ejemplo, una de radio) que viaje a lo largo de una guía de ondas metálica, como la antena de un receptor; las leyes de la física establecen que, si la sección transversal de la guía se hace demasiado estrecha, la onda no podrá seguir avanzando. La teoría matemática que se refiere a esta situación postula que la onda continuará, pero con una energía o impulso imaginarios; esto es, en forma de onda evanescente... Desde hace mucho, se sospecha que las ondas evanescentes poseen velocidades de grupo que superan a c, hecho que fue verificado en 1992, en Colonia, por Nimtz y sus colegas, y confirmado poco después, usando condiciones experimentales diferentes, por Chiao, Kwiat y Steinberg, de la universidad de California, en Berkeley; estos lo divulgaron en el Scientific American en agosto de 1993. En el mismo año, Ranfagní y colaboradores también encontraron, en un experimento llevado a cabo en Florencia, que las ondas evanescentes viajan a velocidades superiores a c.

La relatividad especial - que ha sido exhaustivamente verificada y constituye, junto con la mecánica cuántica, uno de los pilares de la física moderna - puede plantearse en términos de dos postulados: (a) las leyes de la mecánica y del electromagnetismo deben ser las mismas (esto es, son invariantes en su forma) para todos los observadores inerciales (o sea, aquellos cuyo movimiento es rectilíneo y uniforme con relación al llamado cielo de estrellas fijas y, por lo tanto, unos con relación a los otros), y (b) el tiempo y el espacio son homogéneos, y el espacio o vacío es isótropo (tiene las mismas propiedades en todas direcciones). Einstein demostró que, cuando las distancias y las velocidades relativas son muy grandes, dos acontecimientos (o eventos) de la vida de un objeto pueden parecer, para observadores diferentes, separados por distancias espaciales (Dx) y temporales (Dt) también diferentes. Los dos postulados enunciados permiten llegar a una conclusión importante: debe existir una -y sólo una- velocidad invariable (c), tal que su cuadrado tenga el mismo valor para todos los observadores inerciales. Como se sabe, se comprobó experimentalmente que esta tiene un valor finito y equivale a la velocidad de la luz en el vacio, de modo que: c + v = c. Nótese, de paso, que la velocidad infinita, si existiese, no sería invariante: ¥ + v = V, donde V ¹ ¥ ; la operación + no coincide, en el caso de composición de velocidades, con la operación de suma aritmética.

Una de las consecuencias de la relatividad especial es que, con el aumento de la velocidad (v), la energía total (E) de una partícula sublumíníca dotada de masa en reposo mo aumenta de acuerdo con:

Cuando v tiende a c, el denominador de la fracción tiende a cero, haciendo que la energía E tienda a infinito. Por lo tanto, necesitaríamos fuerzas infinitas para hacer que un bradión alcanzase la velocidad de la luz, lo cual generó la opinión, bastante generalizada, de que tal velocidad no puede ser alcanzada ni, mucho menos, superada.

Sin embargo, contrariamente a lo que sugieren las apariencias, lo anterior no agota la cuestión. Así como existen partículas que viajan a la velocidad de la luz, sin que la hayan alcanzado acelerándose a partir de velocidades sublumínícas, también podrían existir otras que siempre viajaran con velocidades mayores que c. Ello fue ilustrado pintorescamente por Sudarshan: Supongamos que un demógrafo que estudie la población de la India afirme, ingenuamente, que nadie habita al norte del Himalaya, pues nunca se consiguió atravesar esas montañas. Nos enfrentaríamos con una conclusión absurda. Las poblaciones del Asia Central nacieron y viven más allá del Himalaya: no precisan nacer en la India y luego atravesar las montañas. Lo mismo puede suceder con partículas más veloces que la luz.

El desafio es mostrar que el problema puede ser puesto, en forma pertinente, en el marco de la física contemporánea. Para ello, vamos a revisar brevemente los postulados de la relatividad especial, y considerar las partículas sublumínicas y superlumínicas, empezando por las primeras. Contrariamente a la física clásica, la teoría de la relatividad postula que las mediciones del espacio y del tiempo no son independientes entre ellas. No es posible describir el universo en términos puramente espaciales, pues la simultaneidad es relativa al observador: lo que para uno sucede en cierto instante, para otro constituye una serie de acontecimientos que tienen lugar en instantes diferentes ("Relojes y reglas de Newton y Einstein").      

Las distancias espaciales y temporales entre dos eventos en la vida de un objeto varian según el punto de vista de observadores diferentes. Ni el espacio ni el tiempo pueden considerarse, por separado, parámetros físicos estrictamente objetivos, por lo que se vuelve necesario construir un nuevo concepto de distancia. Partiendo de cantidades relativas a cada observador, la relatividad especial enseña a definir cantidades absolutas, de suerte que dos eventos cualesquiera aparezcan separados por una distancia espacio-temporal Ds del mismo valor para todos los observadores, lo que, de cierta forma, vuelve inapropiado el nombre de la teoría, que sería mejor denominar teoría de la absolutividad...

La distancia espacio-temporal Ds se define por la relación Ds2 = c2 . Dt2 -Dx2, que generaliza el teorema de Pitágoras para cuatro dimensiones. Es fácil advertir que: Ds2 >0 para un bradión (lo llamamos caso tipo-tiempo); Ds2 = 0 para un luxón (caso tipo-luz), y Ds2 < 0 para un taquión (caso tipo-espacio). Para los bradiones, que recorren poco espacio en mucho tiempo, predomina el signo positivo de c2 . Dt2. Los taquiones recorren mucho espacio en poco tiempo: para ellos predomina el signo negativo de Dx2. En el caso tipo-luz, el intervalo es cero. En lo que sigue, cuando fuese conveniente, utilizaremos c como unidad de medida de las velocidades.

La relatividad especial no puede ser concebida mediante sistemas sólo definidos por sus coordenadas espaciales y temporales. Es preciso, además, considerar un espacio dual, definido por coordenadas de energía (E) e impulso (p). Pasando de espacio-tiempo al de energía-impulso, podemos anticipar que la cantidad E2 - p2 (análoga a Ds2 del primer espacio) tendrá el mismo valor en todos los sistemas inerciales; o sea:

en el caso de un bradión   E2 - p2 = +m02 > 0   (2a)
en el caso de un luxón   E2 - p2 = 0   (2b)
en el caso de un taquión   E2 - p2 = -m02 < 0   (2c)

La figura 1 muestra cómo, en el espacio de energía-impulso (E,p), las relaciones anteriores representan, respectivamente: para los bradiones, un hiperboloide de dos hojas, simétrico con relación al eje E; para los luxones, un cono doble indefinido, y para los taquiones, un hiperboloide de rotación de una hoja. Salta a la vista que los bradiones y taquiones libres están sujetos a relaciones diferentes: los primeros pueden tener impulso nulo, en cuyo caso poseen la energía mínima (E0=m0c2), nunca igual a cero; los segundos, por su parte, pueden tener energía total nula, y entonces aparecen con impulso mínimo (½p½ºpo=moc) que, a su vez, nunca se anula. Más allá de esto, recordando que v =p/E, también se puede verificar que los taqulones dotados de velocidad infinita - llamados taquiones transcendentes - transportan energía nula. Luego, ni aun estas partículas podrían transmitir energía con velocidad infinita.

FIG.I MODELO EN SÓLO TRES DIMENSIONES DE LAS SUPERFICIES p² º E² - p² = ± m0²: PARA LOS BRADIONES, (a), ES p²> 0; PARA LOS LUXONES, (b), p² = 0; PARA LOS TAQUIONES. (c), p² < 0; POR MOTIVOS OBVIOS, LAS FIGURAS SE CONSTRUYERON CON PZ = 0.RECORDAMOS QUE p = mv. DADO QUE UNA TRANSFORMACIÓN ORDINARIA DE LORENTZ DETERMINA EL PASAJE DE UN PUNTO A OTRO DE LA MISMA HOJA DE HIPERBOLOIDES. EL CARACTER DE MATERIA O ANTIMATERIA ES ABSOLUTO EN EL CASO DE LOS BRADIONES, PERO RELATIVO AL OBSERVADOR EN EL CASO DE LOS TAQUIONES

Finalmente, de la ecuación (2c) podemos deducir que, para los taquiones, la fórmula (1) pasa a ser:

De esta forma, la ecuación describe el comportamiento que se representan en la figura 2, en el caso en que ½V½ es mayor que c. Consecuentemente, los taquiones - de existir - poseerían la sorprendente propiedad de aumentar su velocidad cuando su energía total disminuye, y viceversa. Por eso, como vimos, cuando su velocidad tiende a infinito, su energía total tiende a cero. Por otro lado, para disminuir la velocidad de un taquión hasta el límite inferior c se necesitan fuerzas limitadamente grandes. De esta forma, c continúa siendo una velocidad límite que no puede ser franqueada ni viniendo desde arriba (la derecha de la figura 2), ni desde abajo (la izquierda). Si para los bradiones la velocidad de la luz representa un límite superior de las velocidades que pueden alcanzar, para los taquiones representa el inferior. Es bueno recordar que estamos analizando partículas sublumínicas y superlumínicas, pero que sólo hemos considerado, hasta aquí, observadores ordinaríos, que se mueven a velocidad sublumínica. Más adelante extenderemos el sistema de referencia.

FIG 2. ELGRÁFICO RELACIONA - PARA BRADIONES (½v½ < c) Y TAQUIONES (½V½ > c) - LA ENERGÍA TOTAL RELATIVISTA CON LA VELOCIDAD.
PARA SIMPLIFICAR, TOMAMOS UNA VELOCIDAD DIRIGIDA SEGÚN EL EJE X DEL SISTEMA DE REFERENCIA. QUEDA CLARO QUE, EN LOS DOS CASOS, LA CANTIDAD DE ENERGÍA TIENDE A INFINITO CUANDO LAS PARTICULAS SE APROXIMAN A LA VELOCIDAD DE LA LUZ, TANTO POR LA IZQUIERDA COMO POR LA DERECHA.

La figura 1 sugiere la siguiente observación importante: en el caso de los bradiones (1 a), la superficie tiene dos hojas, a diferencia de la de los taquiones (1 c), que tiene una. Por lo tanto, los últimos pueden pasar, sin solución de continuidad, de la semisuperficie superior (donde E > 0) a la inferior (donde E < 0). Tal pasaje corresponde a un cambio ordinario de observador, o sea, a una típica transformación ordinaria de Lorentz, como la que se describe en la leyenda que corresponde a la ("Relojes y reglas de Newton y Einstein").

En otras palabras, un taquión que para un observador O tenga normalmente energía positiva (punto A del semiespacio superior), podrá tener, para a un observador O', energía negativa (punto A' del semiespacio inferior). Como la física se resiste a conceder el derecho de ciudadanía a partículas con energía negativa, se suscita una dificultad grande para aceptar la existencia de taquíones, que puede superarse recurriendo al llamado principio de reinterpretación (switching principle), enunciado por Stuckelberg y Feynman y aplicado por Sudarshan, por primera vez, a los taquíones. Permite también resolver la mayoría de la objeciones sobre causalidad, uno de los desafíos más fascinantes que deben enfrentar los investigadores de estas partículas.

No copio mas si os interesa sigue leyendo aquí: http://www.cienciahoy.org.ar/ch/hoy30/taquion.htm

He abierto este post a petición también de Orubatosu por si quiere debatir aquí mejor para no mezclarlo con el otro post, creo que te he dejado bastante información espero que te lo leas y saque una conclusión.

Que no se haya detectado estas partículas, no quiere decir que no existan partículas que superen la velocidad de la luz si te lees este articulo lo entenderás.

Podéis participar quien quiera pero con respeto.

[Orubatosu]

A ver... partículas teóricas están estas y miles mas. El problema es que el papel lo aguanta todo, la naturaleza no parece querer hacerlo.

La idea que se expone ahi, es que un taquion no es una particula acelerada a una velocidad superior a la de la luz, sino que su estado normal es ser superlumínica.

Eso obviamente tiene sentido. La relatividad indica claramente que si aceleras una particula con masa, su masa aumenta, y esta tiende al infinito al alcanzar esa velocidad. Como obviamente eso no puede suceder, ya que requiere una energía infinita para conseguir esa aceleración, mucho antes de que eso ocurra la particula colapsará y de desintegrará.

Como te he comentado, la teoría no prohíbe su existencia (por ahora) ya que muchas leyes son simétricas. El electromagnetismo por ejemplo tiene cargas positivas y negativas, el spin tiene varios estados opuestos. Incluso el tiempo, nada impide sobre el papel que un suceso vaya hacia delante, o hacia atrás en el tiempo. La carga de una partícula puede ser positiva y negativa. Nadie dice por ejemplo que la antimateria "no exista" ya que es relativamente sencillo producir partículas e incluso átomos simples.

Pero no todo lo que funciona sobre el papel, luego funciona de verdad en nuestro universo. El ejemplo del tiempo no está mal, te pongo un ejemplo.

Coge un vago de vidrio, preferiblemente uno barato ya puestos, y lo dejas caer desde un quinto piso al suelo. El resultado lo puedes imaginar, centenares de pedacitos de vidrio por todos lados.

Bueno, pues nada, pero nada en la teoría dice que sea imposible que a continuación veas que los fragmentos de vidrio vuelvan a su lugar de origen, recompongan el vaso y este salte de nuevo desde el suelo al quinto piso y a tu mano.

En serio, no es broma. No se precisa de ninguna energía adicional, toda la necesaria es la producida por la caída del vaso. Si esa energía se dirige en las direcciones adecuadas (y en la teoría nada dice que eso no sea posible) este suceso puede ocurrir.

Eso si, no te recomiendo que hagas la prueba, porque este suceso que en teoría puede ocurrir, tiene una probabilidad tan baja de que ocurra que podrías estar lanzando un vaso cada pocos segundos desde el inicio del universo hasta su presumible muerte sin presenciar el suceso. No está prohibido, pero no ocurre.

Pero no es solo una cuestión de probabilidades, el otro problema es que supongamos (si, vamos a suponer) que efectivamente existen esas partículas. Su misma naturaleza los dejaría constantemente dentro de lo que es nuestro universo. Su existencia implicaría la existencia de masas negativas, gravedades negativas y otras lindezas.

Pero ahora viene lo bueno. Todo lo que podemos ver, experimentar y conocer en el universo viene determinado por lo que se encuentra dentro de lo conocido como un "cono de luz"

https://es.wikipedia.org/wiki/Cono_de_luz

Una partícula superluminica existiria únicamente fuera de ese cono. Por lo tanto no podriamos detectarla de ningún modo. Su existencia dentro del cono de luz implicaría algo bastante grave, que es la violación del principio de causalidad.

¿Y que es el principio de causalidad? pues simplemente un principio físico que nos dice que la causa precede al efecto. Por ejemplo, si te das un golpe fuerte en un brazo te saldrá obviamente un hematoma. Ahora imagina que te sale un hematoma antes de darte un golpe, que duele antes de que ocurra.

El problema es que un efecto no puede preceder a una causa.

Pero la teoría es la teoría, esta puede ser coherente o no serlo. Lamento decirte que teorías al respecto las hay para dar, vender y aburrir. La realidad es que no, se ha detectado experimentalmente nunca una particula que viaje a una velocidad superior a la de la luz. ¿Existen? Aparentemente... no, no existen. Si existen probablemente estarán en un "plano" del universo al que no podemos acceder.

También en teoría existen formas de materia con gravedad negativa, pero nadie las ha visto nunca. El problema de las teorías es ese, que hacen predicciones que pueden o no cumplirse.

La realidad es que por ahora no se ha detectado jamás una particula de ese tipo, y aunque hay físicos de prestigo (como ese mismo Sudarsham) que afirman que existen, hay muchos mas (y de no menos prestigio) que dicen que no.

En este campo, las teorías son teorias hasta que se prueban, o se descartan. También se creía hasta no hace mucho que nada, pero NADA podía escapar de un agujero negro... se equivocaban

[El_Andaluz]

Orubatosu: No se si te lo abras leído entero lo que te he puesto para mi es una de las mejores fuente que encontrado ademas te lo explican hasta con dibujos

Vamos a ver por que no va poder existe una particula llamase taquiones o X que pueda superar la velocidad de luz ? Por que según la leyes de Einsten no lo podría permitir ? Eso es como decir  que

Las poblaciones del Asia Central nacieron y viven más allá del Himalaya: no precisan nacer en la India y luego atravesar las montañas. Lo mismo puede suceder con partículas más veloces que la luz.

Tal como dice en el articulo, sería una conclusión absurda no pensar que puedan ver particulas que viajen mas rápido que la luz que no se hayan demomento detectado no quiere decir que en un futuro puedan detectarte, la ciencia y nuestra tecnología actual va avanzando que ahora no tengamos eso medios para detectar esas partículas no quiere decir que pueda existir una partícula que pueda viajar mas rápido que la velocidad de la luz.

Teoría hay sobre esto lo que no se ha podido demostrar demomento pero eso no quiere decir que no pueda pasar.

Otro ejemplo es como decir que nuestro universo es imposible que exista vida semejante o parecida a la nuestra.

Saludos.

[Orubatosu]

A  ver si me explico. El problema es sencillo (mas o menos). Esas partículas aparecen como consecuencia de una suposición, y esa es que las leyes de la física trabajan de firma simétrica.

Existe una carga positiva, existe una carga negativa. El tiempo tiene futuro y pasado, etc.

El problema es que eso es una suposición. De hecho la simetria no se cumple en diferentes condiciones en el mundo real. Los neutrinos son construcciones teóricas que se colocan, como bien se indica "al otro lado de la montaña", solo que en este caso es una montaña que efectivamente no podemos cruzar. La suposición es que si existe un universo donde la velocidad máxima es la de la luz, puede existir un "plano" por así llamarlo donde la velocidad mínima sea precisamente esa. Una suerte de espejo de este mundo.

Pero, la comunicación entre ambos queda prohibida. El principio de causalidad se iría por el desague, ya que si el resultado de una acción ocurre antes que la causa, entonces la causa debería de ser absolutamente inevitable. Eso nos lleva a un universo completamente predecible donde todo estaría predeterminado.

Por ponertelo mas fácil el problema de la causalidad. Supongamos que tu me envías una señal a una velocidad superior a la de la luz. Yo al recibirla debería de decirte mediante el mismo sistema que me envies la señal. El problema viene por el hecho de que si te digo que no me lo envies, ¿me has enviado la señal o no?

El problema principal es que aparte de esa velocidad, esas partículas transmitirían información a una velocidad superior a la de la luz. Tal y como es este universo, eso quiere decir que recibiría la información ANTES de que me la envíes.

Claro, esto produce una paradoja lógica. Algunos creen que eso podría solucionarse mediante una teoría de multiversos, pero la creación continua e incesante de una cantidad infinita de universos diferentes, para cada instante del tiempo parece desde luego una construcción un poco "cogida por los pelos" para intentar justificar algo que ni siquiera sabemos si existe en la realidad.

Si miras atentamente los "dibujos" como los llamas, aparecen conos de luz. Pues en los conos de luz para una partícula superlumínica, los puntos de inicio no son puntuales, lo cual viene a querer decir mas o menos, que cada punto del espacio en realidad contiene un espacio superior a si mismo (mas o menos). Eso puedes "apañarlo" asumiendo que representa una dimensión de un orden superior, pero entonces volvemos de nuevo al hecho de que esas partículas estarían separadas por una dimensión a la que no tenemos acceso. (creo que sería el caso)

Mira, el meollo del problema es simple. No es posible la transmisión de información a una velocidad superior a la de la luz. No porque lo diga Einstein y "no hay mas que hablar", sino porque esos mensajes viajarían en el tiempo provocando paradojas.

¿Que puede ser que existan? Claro, por supuesto que es posible, pero en este universo... como que no, no tiene pinta en absoluto de que sea posible.

Digamos que la probabilidad de que aparezca una partícula de ese tipo, tiene una probabilidad tan tan baja, que la noticia de las ondas gravitatorias se quedaría como una anécdota a pié de página.

[kr.chacacreker]

El_Andaluz esto te va a explicar varias cosas por lo menos ami me lo ha explicado.

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