快子

title: 历史.
content: 德国物理学家阿诺·索末菲首先提出“快子”的概念,美国物理学家乔治·苏达珊、比拉纽克、Vijay Deshpande及杰拉尔德·范伯格(Gerald Feinberg) (Tachyon这个词汇的创造者)等一批学者大幅度地强化了理论架构的研究深度。  如果快子是传统上可以进入局部参考系当中的粒子,并且可以用超过光速来携带信息,这将会导致狭义相对论的因果律被破坏。但是,在量子场论当中,快子的存在仅仅标志着系统的不稳定,而非实际存在超光速粒子;而这种不稳定的性质,由快子凝聚或是快子场论来描述。快子场论在许多的理论性论文当中出现,例如二十六维的玻色弦理论。目前对这种粒子的概念理解为:快子很难稳定到可以实际存在的程度。根据此理论,使用快子进行超光速信息传送违反因果律,因此不可能实现。  传统的慢于光速的粒子,在讨论快子的文章当中,经常被称为慢子(bradyons或tardyons)。  尽管理论的争议强烈质疑快子的存在,对快子假说的实验依然进行,不过,目前为止,没有任何有力实验数据证据快子存在。
title: 特征.
content: 从狭义相对论动力学的角度来看,快子是一个具有类空四维动量的粒子,如果这种粒子真实存在将会对现代物理提出很多奇妙的问题。
title: 质量.
content: 有两种类同的方法来处理其动能:  两种数学方法在理论物理上具有同等的结果。
title: 速度.
content: 快子一个很有意思的效应,与正常粒子不同之处,快子速度增加,其能量减少,零能量时速度无限。(对正常的慢子而言,"能量"增加速度则增加)。因此,一如慢子被限制在光速屏蔽内一样,快子亦不能慢到光速,因为要加入几乎无限的能量才能使快子慢到光速。  正如Gregory Benford等人所述,狭义相对论暗示快子可以用于联系过去的时间(见快子电话)。
title: 契伦可夫辐射.
content: 如果电磁辐射机制有效,并假设快子具有电荷,那么,一如一般低于光速的带电荷粒子于介质上运动的效应一样,带电荷的快子将会透过契忍可夫辐射的形式失去能量。不过,理论上,快子并没有一定需要带有电荷。带电快子在真空中等加速运动,其时空世界线则形成双曲线。不过,就如我们所见的,降低能量会加快速度,因此,单一双曲线会形成两个带相反电荷的快子,具备相反的动量,被加速到无限速度时,会在同一个地点碰撞并且同步被湮灭。(无限速度时两个快子不具能量,因此湮灭过程中守恒律没有被违反。湮灭的时间是具有参考系相依性的。)就算无电荷的快子也会透过重力契忍可夫辐射而损失质量,因为快子有质量,因而导致快子被加速,最后必然性地被湮灭。
title: 量子场论.
content: 对快子的量子化表明,快子必须是符合费米·狄拉克统计的自旋状态粒子。亦即,快子是张量费米子,这种组合对一般正常粒子而言,是不会发生的,它们必须成对的生成及湮灭。
title: 因果律.
content: 因果律是理论物理及量子场论的基础原理。如果快子可以用于传送信息速度高于光速,则根据相对论这将会违反因果律,例如著名的「快子电话悖论」。这可以用相对论的同时性来理解,在某些状况底下,惯性参考系会不管两个在不同地点发生的事件是否是同时,当时空交叉时,因为两个事件是在类空区作用,因而没有未来或过去的差别。  如果其中一个事件表示为从某地发送信号,另一个事件是从另外一个地点接收信号,如果信号传送的速度都是以光速或是慢于光速进行,同时性的数学将会保证发送信号的事件永远在接收信号的事件之前。不过,如果一个超光速信号发送出去,则会一直维持信号接收在发送之前,这样子等于信号在时间穿梭回去。而相对论的基本假说之一认为,物理定律在所有的惯性参考系当中都会以相同方式运作,那么如果将信号传送到过去可行,则在任何惯性参考系当中都是的可行的。这意味着如果有个观测者A发送信号给观测者B,在A的参考系当中以超过光速移动,在B的参考系当中则于时间上倒退。然后,B发送一个回应信号,在B的参考系当中以超光速移动,而在A的参考系当中则于时间上倒退,这样会导致A接收信号比他原始发出的信号要早。如此,在所有的参考系上面,均违反因果律。数学的细节可以在快子电话文章中找到。  有争议使用范伯格反解原理来避免上述的快子回到过去的信息悖论,范伯格反解原理陈述负能量的快子被送回"过去"试图违反因果律可以被"反解译"为正能量的快子在时间方向上"前进"。这是因为观测者无法分辨快子的吸收及发射(absorption and emission)。对快子而言,吸收与发射的过程并无差别,因为永远都存在低于光速的偏移,导致快子的时空世界线被改变,这对慢子(bradyon)或无质量慢子(luxons)来说,是不成立的。从"未来"试图要去"侦测"快子(并导致违反因果律)将会导致"产生"相同的快子,并且将它向时间前进的方向送出(因而使因果律正确)。范伯格反解原理实际上有相当大的争议性。  事实上,量子场论也争议,就算是快子真的存在,快子也无法携带信息来以超过光速传送信息,不论是快子量子场的微扰无法进行快于光速的传播,或是快子根本就无法参与局部参考系。进行超光速信息传播既然是不可能的,从根本上就避免回到过去的信息传播佯谬。  在广义相对论当中,对远处的观察者,建立粒子可以超过光速的时空是可行的。其中一个范例是阿尔库维耶雷度量,另一个是虫洞及遍历虫洞。不过,这些都不是快子运动的内涵,因为这些本地的参考系都没有超过光速。
title: 快子凝聚.
content: 在量子场论当中,快子是一个具有虚数质量的量子场,通常是个张量场论,并且用于解释自发对称性破缺机制:这种场的存在暗示著场真空能的不稳定。该场域处于局部潜在能量最大值,有如一颗球摆在山顶尖上,任何的轻微摇晃(量子微扰)都会导致这个场以指数成长的振幅向下震荡:这将会导致快子凝聚。要了解到一旦快子场域达到其最小平衡能量,其量子态则不再是个快子,而是个正常的正数质量粒子,例如希格氏玻色子。  技术上而言,质量平方是有效势能的二次微分,而一次微分的值是零。所以,快子场的二次微分是负值,含意是有效势能处于一个区域最大值,而非区域最小值。因此,这种状态是不稳定的,而这样的场会向下滚动到另外一个区域最小值,而其量子态将会有一个非负值的质量,也就因而变成不是一个快子。  由于快子质量平方为负值,其具有虚质量的特性。就一般的规则来处理,可以解译为具有复数质量的特征,实质量的部分与正常无异,虚质量的部分可以成为decay rate的自然单位.  不过,在量子场论当中,一个粒子(单粒子态)被定义为在时间上具备有一个常数的状态,也就是量子力学的哈密尔顿特征值。不稳定粒子是一种仅于某段时间内接近常数的状态。不过,其存在时间长到足够被侦测到。这意味着如果其质量使用复数来描述,实数的部分必须大于虚数的部分。如果两个部分都是相同的数值,这就变成在散射过程当中发生共鸣,而非是个粒子。因为这样就会变成没有足够时间来测量其散射过程。在快子的例子当中,虚质量的部位远远大于实质量的部位,也就因此在量子力学当中,快子不能被视为是一种粒子。  需要强调的一项重点,在快子量子场论中,场的操作子都是类空,离散点之间依然是联络(或反联络),也因此,因果律依然是成立的。因此,信息的传递从来无法超过光速。  快子场论的范例是所有的自发对称性破缺事件。在凝聚体物理学当中一个很著名的例子是铁磁性,在粒子物理当中最著名的例子就是标准模型当中的希格氏机制。
title: 弦理论当中的快子.
content: 在弦理论当中,快子的解译跟量子场论相同。不过,弦理论可以从根本原理上解释并描述快子场论物理,并且对其场的作用进行预测。  快子场论在弦理论当中有许多种版本,分别表达不同维度下的弦作用。一般而言,弦理论认为,所有的粒子,包含了电子、光子、重子等等,都是在基底层次的弦震动的一种状态。粒子的质量可由开弦震动时而引带出质量,简单说,质量之生成是由于弦的音符所造成的。快子经常性地出现在可被允许的弦状态当中,有些状态则具有虚质量。如果快子出现在弦物理的开弦震动状态下,这标志着所附着的底层弦系统机制处于一个不稳定状态。这样的系统将会衰减成为闭弦状态或是稳定的D-膜。如果,快子处于闭弦震动模式,这表示时空结构本身处于不稳定状态,一般而言,不确定它会向哪一个方向转变,中子星超弦物理学认为闭弦快子衰变会产生导致中子星星爆的成因,也就是产生微型虫洞、Q-Ball、B-Ball及婴儿黑洞。不过,如果闭弦快子处于奇点周围,它将会把奇点给消解掉。  弦理论当中的快子凝聚作用,可以使得高维时空降低为低维时空,从而使得弦理论对许多现有的物理理论可以进行预测。
title: 娱乐:科幻作品当中的快子.
content: 快子在许多科幻作品当中出现。它被科幻作品的作者用于做为一个建立超光速通讯的备用机能,不论是否其违反因果律。快子这个词汇变成科幻泡沫剧的一个成分,不论实际内容是否大部分描写与科技发展有关的主题。  在近期(2010年)的美国电视剧当中,《未来闪影》的主题就是因为高能加速器对快子的实验,无预警的快子闭弦震动波的影响,导致全球所有的人都受到影响(blockout),全球的人都停止活动两分十七秒,活动停顿导致灾难,因而使得数千万人死亡,并且全球的人看到未来六个月后的事件发生影像(flash forward)。该科幻剧所使用的快子弦理论原理即为「快子电话」及「快子闭弦凝聚」。

Summary: 迅子(英语:tachyon)也称为快子、速子,是一种理论上预测的超光速次原子粒子。这种由相对论衍生出的假想粒子,总是以超过光速的速度在运动。快子与一般物质(相应称为慢子(tardyon))的相互作用可能不明显,所以即使其存在也不一定能侦测得到。在狭义相对论中,快子具有类空的四维动量和虚的原时,并被限定在能量-动量图中的类空区间部分。因此,它无法降低速度至亚光速状态。