快子

快子的相互作用可能不明顯，所以即使其存在也不一定能偵測得到。在狹義相對論中，快子具有類空的四維動量和虛的原時，並被限定在能量-動量圖中的類空區間部分。因此，它無法降低速度至亞光速狀態。歷史.德國物理學家阿諾·索末菲首先提出“快子”的概念，印度裔美籍物理學家#重定向 、比拉紐克及傑拉爾德·範伯格 (Tachyon這個詞彙的創造者)等一批學者大幅度地強化了理論架構的研究深度。如果快子是傳統上可以進入區域性參考系當中的粒子，並且可以用超過光速來攜帶資訊，這將會導致狹義相對論的因果律被破壞。但是，在量子場論當中，快子的存在僅僅標誌著系統的不穩定，而非實際存在超光速粒子；而這種不穩定的性質，由快子凝聚或是快子場論來描述。快子場論在許多的理論性論文當中出現，例如二十六維的玻色弦理論。目前對這種粒子的概念理解為：快子很難穩定到可以實際存在的程度。根據此理論，使用快子進行超光速資訊傳送違反因果律，因此不可能實現。傳統的慢於光速的粒子，在討論快子的文章當中，經常被稱為慢子。儘管理論的爭議強烈質疑快子的存在，對快子假說的實驗依然進行，不過，目前為止，沒有任何有力實驗資料證實快子存在。特徵.從狹義相對論動力學的角度來看，快子是一個具有類空四維動量的粒子，如果這種粒子真實存在將會對現代物理提出很多奇妙的問題。質量.有兩種類同的方法來處理其動能：formula_1此處p是慢速粒子的相對論性動量，而m是其靜止質量，整個方程是粒子的總能量：formula_2此方程則是表達包含了靜止質量的粒子的總能量及其動能。當"v"大於"c"的時候，因為平方根裡面的值是負數，所以分母會有虛數。由於總能量必須是實數，因此分子也必須是虛數。在量子場論當中，虛質量將會導致快子凝聚。formula_4用這個方式能量公式將會變成：formula_5而我們將可以避免任何的虛質量產生，透過這種方式避開問題，恰好解釋了複數值質量在理論物理上的含義。兩種數學方法在理論物理上具有同等的結果。速度.快子一個很有意思的效應，與正常粒子不同之處，快子速度增加，其能量減少，零能量時速度無限。。因此，一如慢子被限制在光速遮蔽內一樣，快子亦不能慢到光速，因為要加入幾乎無限的能量才能使快子慢到光速。正如#重定向 等人所述，狹義相對論暗示快子可以用於聯絡過去的時間。#重定向契倫可夫輻射.如果電磁輻射機制有效，並假設快子具有電荷，那麼，一如一般低於光速的帶電荷粒子於介質上運動的效應一樣，帶電荷的快子將會透過契忍可夫輻射的形式失去能量。不過，理論上，快子並沒有一定需要帶有電荷。帶電快子在真空中等加速運動，其時空世界線則形成雙曲線。不過，就如我們所見的，降低能量會加快速度，因此，單一雙曲線會形成兩個帶相反電荷的快子，具備相反的動量，被加速到無限速度時，會在同一個地點碰撞並且同步被湮滅。(無限速度時兩個快子不具能量，因此湮滅過程中守恆律沒有被違反。湮滅的時間是具有參考系相依性的。)就算無電荷的快子也會透過重力契忍可夫輻射而損失質量，因為快子有質量，因而導致快子被加速，最後必然性地被湮滅。量子場論.對快子的量子化表明，快子必須是符合費米·狄拉克統計的自旋狀態粒子。亦即，快子是張量費米子，這種組合對一般正常粒子而言，是不會發生的，它們必須成對的生成及湮滅。因果律.因果律是理論物理及量子場論的基礎原理。如果快子可以用於傳送資訊速度高於光速，則根據相對論這將會違反因果律，例如著名的「快子電話悖論」。這可以用相對論的同時性來理解，在某些狀況底下，慣性參考系會不管兩個在不同地點發生的事件是否是同時，當時空交叉時，因為兩個事件是在類空區作用，因而沒有未來或過去的差別。如果其中一個事件表示為從某地傳送訊號，另一個事件是從另外一個地點接收訊號，如果訊號傳送的速度都是以光速或是慢於光速進行，同時性的數學將會保證傳送訊號的事件永遠在接收訊號的事件之前。不過，如果一個超光速訊號發送出去，則會一直維持訊號接收在傳送之前，這樣子等於訊號在時間穿梭回去。而相對論的基本假說之一認為，物理定律在所有的慣性參考系當中都會以相同方式運作，那麼如果將訊號傳送到過去可行，則在任何慣性參考系當中都是的可行的。這意味著如果有個觀測者A傳送訊號給觀測者B，在A的參考系當中以超過光速移動，在B的參考系當中則於時間上倒退。然後，B傳送一個回應訊號，在B的參考系當中以超光速移動，而在A的參考系當中則於時間上倒退，這樣會導致A接收訊號比他原始發出的訊號要早。如此，在所有的參考繫上面，均違反因果律。數學的細節可以在快子電話文章中找到。有爭議使用範伯格反解原理來避免上述的快子回到過去的資訊悖論，範伯格反解原理陳述負能量的快子被送回"過去"試圖違反因果律可以被"反解譯"為正能量的快子在時間方向上"前進"。這是因為觀測者無法分辨快子的吸收及發射。範伯格反解原理實際上有相當大的爭議性。事實上，量子場論也爭議，就算是快子真的存在，快子也無法攜帶資訊來以超過光速傳送資訊，不論是快子量子場的微擾無法進行快於光速的傳播，或是快子根本就無法參與區域性參考系。進行超光速資訊傳播既然是不可能的，從根本上就避免回到過去的資訊傳播佯謬。在廣義相對論當中，對遠處的觀察者，建立粒子可以超過光速的時空是可行的。其中一個範例是阿爾庫維耶雷度量，另一個是蟲洞及遍歷蟲洞。不過，這些都不是快子運動的內涵，因為這些本地的參考系都沒有超過光速。快子凝聚.在量子場論當中,快子是一個具有虛數質量的量子場，通常是個張量場論，並且用於解釋自發對稱性破缺機制：這種場的存在暗示著場真空能的不穩定。該場域處於區域性潛在能量最大值，有如一顆球擺在山頂尖上，任何的輕微搖晃都會導致這個場以指數成長的振幅向下震盪：這將會導致快子凝聚。要了解到一旦快子場域達到其最小平衡能量，其量子態則不再是個快子，而是個正常的正數質量粒子，例如希格氏玻色子。技術上而言，質量平方是有效勢能的二次微分，而一次微分的值是零。所以，快子場的二次微分是負值，含意是有效勢能處於一個區域最大值，而非區域最小值。因此，這種狀態是不穩定的，而這樣的場會向下滾動到另外一個區域最小值，而其量子態將會有一個非負值的質量，也就因而變成不是一個快子。由於快子質量平方為負值，其具有虛質量的特性。就一般的規則來處理，可以解譯為具有複數質量的特徵，實質量的部分與正常無異，虛質量的部份可以成為decay rate的自然單位.不過，在量子場論當中，一個粒子被定義為在時間上具備有一個常數的狀態，也就是量子力學的哈密爾頓特徵值。不穩定粒子是一種僅於某段時間內接近常數的狀態。不過，其存在時間長到足夠被偵測到。這意味著如果其質量使用複數來描述，實數的部分必須大於虛數的部分。如果兩個部分都是相同的數值，這就變成在散射過程當中發生共鳴，而非是個粒子。因為這樣就會變成沒有足夠時間來測量其散射過程。在快子的例子當中，虛質量的部位遠遠大於實質量的部位，也就因此在量子力學當中，快子不能被視為是一種粒子。需要強調的一項重點，在快子量子場論中，場的操作子都是類空，離散點之間依然是聯絡，也因此，因果律依然是成立的。因此，資訊的傳遞從來無法超過光速。快子場論的範例是所有的自發對稱性破缺事件。在凝聚體物理學當中一個很著名的例子是鐵磁性，在粒子物理當中最著名的例子就是標準模型當中的希格氏機制。弦理論當中的快子.在弦理論當中，快子的解譯跟量子場論相同。不過，弦理論可以從根本原理上解釋並描述快子場論物理，並且對其場的作用進行預測。快子場論在弦理論當中有許多種版本，分別表達不同維度下的弦作用。一般而言，弦理論認為，所有的粒子，包含了電子、光子、重子等等，都是在基底層次的弦震動的一種狀態。粒子的質量可由開弦震動時而引帶出質量，簡單說，質量之生成是由於弦的音符所造成的。快子經常性地出現在可被允許的弦狀態當中，有些狀態則具有虛質量。如果快子出現在弦物理的開弦震動狀態下，這標誌著所附著的底層弦系統機制處於一個不穩定狀態。這樣的系統將會衰減成為閉弦狀態或是穩定的D-膜。如果，快子處於閉弦震動模式，這表示時空結構本身處於不穩定狀態，一般而言，不確定它會向哪一個方向轉變，中子星超弦物理學認為閉弦快子衰變會產生導致中子星星爆的成因，也就是產生微型蟲洞、Q-Ball、B-Ball及嬰兒黑洞。不過，如果閉弦快子處於奇點周圍，它將會把奇點給消解掉。弦理論當中的快子凝聚作用，可以使得高維時空降低為低維時空，從而使得弦理論對許多現有的物理理論可以進行預測。娛樂：科幻作品當中的快子.快子在許多科幻作品當中出現。它被科幻作品的作者用於做為一個建立超光速通訊的備用機能，不論是否其違反因果律。快子這個詞彙變成科幻泡沫劇的一個成分，不論實際內容是否大部分描寫與科技發展有關的主題。在近期。該科幻劇所使用的快子弦理論原理即為「快子電話」及「快子閉弦凝聚」。