タキオン

タキオン（/ ˈ t æ k i ɒ n /）またはタキオン粒子は、常に光より速く移動する仮説上の粒子です。物理学者は、光より速い粒子は既知の物理法則に反するため存在できないと考えています。^{[1] [2]}そのような粒子が存在する場合、光より速く過去に信号を送信するために使用できます。相対性理論によると、これは因果律に反し、祖父のパラドックスなどの論理的なパラドックスにつながります。^[1]タキオンは、エネルギーが減少するにつれて速度が増加するという異常な特性を示し、光速まで減速するには無限のエネルギーが必要になります。このような粒子の存在を裏付ける実験的証拠は見つかっていません。

この用語を生み出した1967年の論文で、ジェラルド・ファインバーグは、虚数質量を持つ量子場の励起からタキオン粒子が作られる可能性があると提唱した。^{[3]しかし、ファインバーグのモデルは実際には}超光速（光より速い）粒子や信号を考慮に入れておらず、タキオン場は因果律の違反ではなく不安定性を引き起こすだけであることがすぐに判明した。^[4]タキオン場という用語は、光より速い粒子ではなく、虚数質量場を指す。^{[2] [5]}

タキオンという用語は、ギリシャ語のταχύς、tachusに由来し、「速い」を意味します。^{[6] ：  515}相補的な粒子タイプは、ルクソン（常に光速で移動する）とブラディオン（常に光より遅く移動する）と呼ばれ、これら両方の粒子タイプが存在することが知られています。

光速を超える粒子に関する最初の仮説は、物理学者アルノルド・ゾンマーフェルトによるものとされることもあり、彼は1904年にそれを「メタ粒子」と名付けました。^{[7] [8]}光速を超える粒子が存在する可能性は、レフ・ヤコブレヴィチ・シュトルム [ru]によっても1923年に提唱されました。 ^[9]

タキオンという用語は、ジェラルド・フェインバーグが1967年に発表した「光より速い粒子の可能性」という論文で作った造語である。^[3]彼はジェームズ・ブリッシュのSF小説「ビープ」に触発された。^{[10]フェインバーグは}特殊相対性理論に基づいてそのような粒子の運動学を研究した。彼は論文の中で、そのような粒子が持つかもしれない微視的起源を理解するために、虚数質量を持つ場（現在ではタキオンとも呼ばれる） も紹介した。

オレクサ・マイロン・ビラヌイク、ビジェイ・デシュパンデ、ECジョージ・スダルシャンは、1962年の論文^[11]と1969年の論文^{[12]でこのことについて最近議論しました。}

2011年9月、タウニュートリノが光速よりも速く移動したと報告されたが、その後CERNのOPERA実験に関する最新情報によると、光速を超える速度の測定値は実験の光ファイバータイミングシステムの故障によるものだったことが示された。 ^[13]

特殊相対論では、光より速い粒子は、時間のような四元運動量を持つ通常の粒子とは異なり、空間的な 四元運動量を持つとされています^[3]。一部の理論ではタキオンの質量は虚数であると示唆していますが、現代の定式化では、運動量とエネルギーの式を再定義して、その質量は実数であると考えることがよくあります^{[14] [15] [16] 。さらに、タキオンはエネルギー-運動量グラフの}空間的な部分に限定されているため、光速未満（光より遅い）の速度まで減速することはできません。^[3]

ローレンツ不変理論では、通常の光より遅い粒子（タキオンの議論ではブラディオンと呼ばれることもある）に適用されるのと同じ式がタキオンにも適用される必要がある。特に、エネルギーと運動量の関係は次のようになる。

${\displaystyle E^{2}=(pc)^{2}+(mc^{2})^{2}\;}$

(ここでpはブラディオンの相対論的運動量、 mはブラディオンの静止質量) は、粒子の全エネルギーの式とともに依然として適用される:

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

この方程式は、粒子（ブラディオンまたはタキオン）の全エネルギーには、静止質量からの寄与（「静止質量エネルギー」）と、運動からの寄与である運動エネルギーが含まれていることを示しています。 （粒子の速度）が（光速）より大きい場合、エネルギーの方程式の分母は虚数で、平方根の下の値は負になります。粒子の全エネルギーは、測定値として実用的な意味を持つためには実数（複素数や虚数ではない）でなければならないため、分子も虚数でなければなりません（つまり、静止質量m は虚数でなければなりません。純虚数を別の純虚数で割ると実数になるからです）。 ${\displaystyle v}$${\displaystyle c}$

理論のいくつかの現代的な定式化では、タキオンの質量は実在すると考えられている。^{[14] [15] [16]}

興味深い効果の 1 つは、通常の粒子とは異なり、タキオンの速度はエネルギーが減少するにつれて増加することです。特に、が無限大に近づくと、はゼロに近づきます。(通常のブラディオン物質の場合、速度の増加とともに が増加し、 、つまり光速に近づくと任意に大きくなります。)したがって、ブラディオンが光速の壁を破ることができないように、タキオンはc未満に減速することもできません。これは、上からでも下からでも壁に到達するには無限のエネルギーが必要になるためです。 ${\displaystyle E}$${\displaystyle v}$${\displaystyle E}$${\displaystyle v}$${\displaystyle c}$

アルバート・アインシュタイン、リチャード・C・トールマンらが指摘したように、特殊相対性理論によれば、光より速い粒子が存在するならば、それを使って時間を遡って通信できる可能性がある。^[17]

1985年、チョドスはニュートリノがタキオンの性質を持つ可能性があると提案した。^[18]標準モデルの粒子が光速を超える速度で運動する可能性は、例えば標準モデルの拡張でローレンツ不変性を破る項を使用してモデル化できる。^{[19] [20] [21]この枠組みでは、ニュートリノは}ローレンツ不変性を破る振動を経験し、高エネルギーで光より速く移動できる。この提案は強く批判された。^[22]

タキオンが光より速く情報を伝達できる場合、相対性理論によれば、それは因果律に反し、「自分の祖父を殺す」タイプの論理的パラドックスにつながる。これは、「タキオン電話パラドックス」 ^[17]や「論理的に有害な自己抑制」^[23]などの思考実験でよく説明される。

この問題は特殊相対性理論における同時性の相対性の観点から理解できる。特殊相対性理論によれば、異なる慣性系は、異なる場所での2つのイベントが「同時に」発生したかどうかについて意見が一致せず、2つのイベントの順序についても意見が一致しない可能性がある。（技術的には、これらの意見の不一致は、イベント間の時空間隔が「空間的」である場合に発生する。つまり、どちらのイベントも、もう一方のイベントの未来光円錐内に存在しないことを意味する。）^[24]

2 つのイベントのうちの 1 つが、ある場所からの信号の送信を表し、2 つ目のイベントが別の場所での同じ信号の受信を表す場合、信号が光速またはそれより遅い速度で移動している限り、同時性の数学により、すべての参照フレームが、送信イベントが受信イベントの前に発生したことに同意することが保証されます。^[24]ただし、仮想的な信号が光より速く移動している場合は、信号が送信される前に受信されたフレームが常にいくつか存在するため、信号は時間を逆方向に移動したと言えます。特殊相対性理論の2 つの基本公理の 1 つは、物理法則はすべての慣性フレームで同じように機能する必要があるとしているため、任意の 1 つのフレームで信号を時間を逆方向に移動できる場合は、すべてのフレームで可能である必要があります。これは、観測者Aが観測者Bに信号を送り、その信号がAのフレームでは光より速く進むがBのフレームでは時間が逆行し、Bが応答を送信し、その応答がBのフレームでは光より速く進むがAのフレームでは時間が逆行する場合、Aは元の信号を送信する前に応答を受信する可能性があり、すべてのフレームで因果律が疑問視され、深刻な論理的パラドックスへの扉が開かれることを意味します。^{[25]これは}タキオン反電話として知られています。

再解釈原理[ ^{3] [11] [25]}は、観測者はタキオンの放出と吸収を区別できないため、過去に送り返されたタキオンは常に未来に移動するタキオンとして再解釈できると主張している。未来からのタキオンを検出しようとすると（因果律に違反する）、実際には同じタキオンが生成され、それを未来に送り出すことになる（因果律である）。

しかし、この原理はパラドックスを解決するものとして広く受け入れられているわけではない。^{[17] [25] [26]}その代わりに、パラドックスを回避するために必要なのは、既知の粒子とは異なり、タキオンがいかなる形でも相互作用せず、検出または観測されないことである。そうでなければ、タキオンビームが変調され、反電話^[17]または「論理的に有害な自己抑制装置」を作成するために使用される可能性があるからである。^[23]すべての形態のエネルギーは少なくとも重力的に相互作用すると考えられており、多くの著者は、ローレンツ不変理論における超光速伝播は常に因果パラドックスにつながると述べている。^{[27] [28]}

現代物理学では、すべての基本粒子は量子場の励起としてみなされます。タキオン粒子を場の理論に組み込む方法はいくつかあります。

「タキオン」という用語を生み出した論文で、ジェラルド・ファインバーグは、虚数質量を持つローレンツ不変量子場を研究した。^[3]このような場の群速度は超光速であるため、単純に考えるとその励起は光より速く伝播するように見える。しかし、超光速群速度は、局所的な励起（粒子など）の伝播速度に対応しないことがすぐに理解された。代わりに、負の質量はタキオン凝縮に対する不安定性を表し、場のすべての励起は光速未満で伝播し、因果律と一致する。^[29]光より速く伝播しないにもかかわらず、このような場は多くの情報源で単に「タキオン」と呼ばれている。^{[5] [30] [31] [32] [2]}

タキオン場は現代物理学において重要な役割を果たしている。おそらく最も有名なのは、非凝縮相で虚数質量を持つ素粒子物理学の標準モデルのヒッグス粒子だろう。一般に、タキオン凝縮と密接に関連する自発的対称性の破れの現象は、ギンツブルグ・ランダウ理論や超伝導のBCS理論など、理論物理学の多くの側面で重要な役割を果たしている。タキオン場の別の例としては、ボゾン弦理論のタキオンがある。^{[30] [33]}

タキオンは、 GSO 投影に先立って、ボゾン弦理論、およびRNS 超弦理論のNeveu-Schwarz (NS) セクターとNS-NS セクター(それぞれ開いたボゾンセクターと閉じたボゾンセクター)によって予測されています。しかし、そのようなタキオンは、タキオン凝縮としても知られるSen 予想のために不可能です。このため、 GSO 投影が必要になりました。

ローレンツ不変性を尊重しない理論では、光速は（必ずしも）障壁にならず、粒子は無限のエネルギーや因果関係のパラドックスなしに光速よりも速く移動することができる。^[27]そのタイプの場の理論のクラスは、いわゆる標準モデルの拡張である。しかし、ローレンツ不変性の実験的証拠は非常に優れているため、そのような理論は非常に厳密に制約されている。^{[34] [35]}

場の運動エネルギーを修正することで、超光速で伝播する励起を持つローレンツ不変な場の理論を作り出すことができる。^{[29] [28]しかし、そのような理論は一般に、（上で議論した因果関係の問題に関連する理由により）明確に定義された}コーシー問題を持たず、おそらく量子力学的に矛盾している。

タキオンは多くのフィクション作品に登場します。タキオンは、因果関係の問題の有無にかかわらず、多くのSF作家が光速を超える通信を確立するために頼るスタンバイメカニズムとして使用されてきました。タキオンという言葉は、その主題が超光速移動（陽電子脳に似たテクノバブルの一種）と特に関係がない場合でも、SF的な意味合いを与えるほど広く認知されています。^[36]

• ローレンツ対称性を破るニュートリノ振動
• 巨大粒子– ブラディオン、別名タルディオン
• 質量のない粒子– ルクソン
• 逆因果律
• タキオン反電話
• 仮想粒子
• ウィーラー・ファインマン吸収体理論

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ウィキメディア・コモンズには、タキオンに関連するメディアがあります。

• 「光より速い（FTL）FAQ」アイオワ州立大学。2000年11月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• ワイスタイン、エリック・ヴォルフガング(編)。 「タキオン」。サイエンスワールド。
• 「タキオン」。数学。物理学 FAQ / 粒子と原子核。カリフォルニア州リバーサイド：カリフォルニア大学。