חלקיקים מהירים מהאור?
14/07/2020
הפיזיקה התאורטית עוסקת בחלקיקים היפותטיים הנקראים ״טכיונים״. מהן התכונות של אותם חלקיקים והאם ייתכן שהם יתגלו בעתיד? או שמא הם יתגלו בעבר?
כאשר הגה אלברט איינשטיין את תורת היחסות הפרטית בשנת 1905 הוא ביסס אותה על שתי הנחות יסוד. הראשונה גורסת שחוקי הטבע זהים בכל מערכת ייחוס לא מואצת, והשניה גורסת שמהירות האור זהה עבור כל המודדים אותה, ובלבד שהם אינם מואצים. ואכן, כל החלקיקים שנצפו עד כה בטבע נעים במהירות האור או במהירות הקטנה ממהירות האור. בפוסט זה נתמקד בהנחה השניה.
על פי עקרונות תורת היחסות [1] כל חלקיק חסר מסה, בפרט חלקיק האור - הפוטון, ינוע במהירות האור ואילו חלקיקים בעלי מסה ינועו במהירות נמוכה ממהירות האור - בהתאמה לתצפית. האם ייתכנו חלקיקים הנעים במהירות הגבוהה ממהירות האור?
עיון מדוקדק יותר במשוואות תורת היחסות הפרטית מגלה, שאם המסה בריבוע של חלקיק היא שלילית (משמע המסה עצמה היא מספר מדומה), אזי החלקיק ינוע במהירות הגבוהה ממהירות האור. חלקיקים היפותטיים אלו נקראים טכיונים ובהם נעסוק במאמר זה.
קיומם של טכיונים בטבע מהווה בעיה: על פי תורת היחסות, חלקיקים הנעים במהירות העולה על מהירות האור יראו כנעים אחורה בזמן. השפעה של העתיד על העבר איננה מתיישבת עם עקרון הסיבתיות (כלומר, שדברים שיקרו בעתיד נגרמים על ידי דברים שקרו בעבר או בהווה, ולא להפך) ולכאורה זוהי סיבה מספקת לדחות את קיומם של טכיונים. אולם, העניין לא כל-כך פשוט: האם אנו בטוחים שעיקרון הסיבתיות נשמר בטבע? האם אנו בטוחים שאי-אפשר לנוע אחורה בזמן?
התפתחות מעניינת לגבי קיומם של טכיונים התרחשה בשנות ה-70 של המאה הקודמת, בעקבות הולדת תורת המיתרים [2]. תורת המיתרים, בגרסתה הפשוטה ביותר, שנקראת ״תורת המיתר הבוזונית״ חוזה את קיומו של חלקיק טכיוני. האם, לפיכך תורת המיתרים חוזה את קיומו של חלקיק הנע במהירות העולה על מהירות האור? התשובה היא לא, מאחר שההבנה המודרנית לגבי טכיונים מורכבת יותר ממה שהוצג בפיסקאות הקודמות.
כיום אנו חושבים על קיום חלקיק טכיוני כעל עדות למצב לא יציב במערכת. דוגמא לחוסר יציבות היא כדור הניצב על ראש גבעה ממנה הוא יתגלגל אם רק ניתן לו דחיפה קלה. אם הכדור יתגלגל לתחתיתו של עמק, הוא ימצא את עצמו במצב יציב, כלומר - מצב בו דחיפה קלה לא תערער את מיקומו. חלקיקים טכיונים משקפים את אי-היציבות במערכת, כלומר הם משקפים תיאור מראש הגבעה במקום מתחתית הגבעה. כאשר מתארים את הפיזיקה מהעמק לא מוצאים טכיונים. לפיכך, כאשר אנחנו נתקלים בפיזיקה בטכיונים, עלינו לחשוב לא על חלקיקים הנעים במהירות הגבוהה ממהירות האור, אלא על כך שאנחנו מנסים לספק תאור לא יציב של מערכת.
חלקיק ההיגס שנתגלה במאיץ החלקיקים בז׳נבה ביולי 2014 [3] קשור לטכיונים באופן אותו תארתי בפסקה הקודמת. הסברה היא שקיימת מעין ״גבעה טכיונית״ לא יציבה, ממנה מתגלגלים לעמק. התאור של הפיזיקה מסביבת העמק גורמת להופעת חלקיק בעל מסה - הוא חלקיק ההיגס. אילו היינו מנסים לתאר את הפיזיקה מראש הגבעה היינו מוצאים טכיון, אולם הטבע מעדיף יציבות, את העמק על פני ראש הגבעה.
תופעה דומה קיימת גם בקוסמולוגיה. קיימת סברה שסמוך למפץ הגדול היקום היה על ״ראש גבעה״ ממנה הוא התגלגל ל״עמק״. כלומר המפץ הגדול מלווה באי-יציבות המובילה לתפיחה מהירה (״אנפלציה״) של היקום, עד שהיקום מגיע לעמק יציב. על תאוריית התפיחה כתבנו בהרחבה בעבר [4].
אז האם נראה טכיונים בעתיד? במובן מסוים כבר ראינו אותם. חלקיק ההיגס הוא עדות לכך שקיימת אי-יציבות בטבע, אולם הדבר לא מביא לקיומם של חלקיקים הנעים מהר יותר ממהירות האור.
מקורות וקריאה נוספת:
[1] על יחסות
[2] על תורת המיתרים
[4] צורתו של היקום
פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים אלמנטריים באוניברסיטת סוונסי. בעבודתו עוסק עדי בכרומודינמיקה קוונטית ובתורת המיתרים
