טכיון

בפיזיקה תאורטית, טכיון הוא חלקיק היפותטי אשר לכאורה נע במהירויות הגבוהות ממהירות האור c, אך לפי התאוריה המקובלת מייצג למעשה חוסר יציבות של המצב הפיזיקלי. מקור השם הוא במילה היוונית "טכיס" (ταχύς), שפירושה "מהיר". הראשון שהציע את אפשרות קיומם של חלקיקים אלו היה הפיזיקאי הגרמני ארנולד זומרפלד, אך השם טכיון הוטבע רק בשנות ה-60 של המאה ה-20.
טכיונים הופיעו במסגרת מספר תאוריות, ובהן תורת המיתרים. בכל תורת שדות קוונטית, אף שטכיון נראה כפתרון של משוואות התאוריה אשר מייצג חלקיק, הוא למעשה מייצג חוסר יציבות של השדות הפיזיקליים. מצב כזה קורה כאשר מתרחשת שבירת סימטריה ספונטנית. גם בתורת המיתרים, מפורש טכיון כחוסר יציבות של המצב הפיזיקלי.
למרות זאת, מפעם לפעם נעשים ניסיונות לגילוי חלקיקים הנעים מהר ממהירות האור, ניסיונות שנכשלו עד כה; גילוי של חלקיקים כאלה יערער את יסודות הפיזיקה המודרנית. מאמר זה מתייחס לחלקיקים היפותטיים כאלה.

פיתוח גאומטרי יחסותי

גאומטרית, מערכת של חלקיק שנע ביחס למערכת המעבדה היא מערכת בה קו תנועתו ביחס למערכת המעבדה הוא ציר הזמן, והקו המתקבל משיקופו ביחס לקונוס האור הוא ציר המרחב. על כן, ניתן לפתח נאיבית טרנספורמציה למעבר למערכת של טכיון באופן הבא: נשרטט את קווי הזמן והמרחב, ונשים לב שהיטל מאורע כלשהו  על ציר המרחב של הטכיון זהה להיטל של אותו מאורע על ציר הזמן של מערכת הנעה במהירות הפכית משל הטכיון (שהיא קטנה ממהירות האור). בדומה, היטל המאורע על ציר הזמן של הטכיון זהה להיטל המאורע על ציר המרחב של המערכת הנעה במהירות ההפכית.
על כן, במערכת הטכיון, המאורע  ימדד כפי שימדד המאורע עם רכיבי זמן ומרחב משוחלפים המתאים לו, במערכת של החלקיק עם המהירות ההפכית. לכן אם נסמן ב  את המאורע במערכת הטכיון, נקבל לאחר חישוב (ביחידות של מהירות האור שווה לאחד):
כאשר  מהירות הטכיון במערכת המעבדה וכן סימנו:
על כן קיבלנו טרנספורמציה המקבילה לטרנספורמציית לורנץ עבור מערכות במהירות גדולה ממהירות האור, ובמסגרתה גם פקטור לורנץ טכיוני, שקטן עם המהירות בערכו המוחלט. אותו פקטור מהווה, כפי שניתן לראות על-פי דמיון המטריצות לטכיונים וחלקיקים רגילים, את הפקטור של התארכות הזמן והתקצרות האורך במערכת הטכיון.
נעיר כי פיתוח זה נובע מאנלוגיה גאומטרית ואינו חלק מתורת היחסות הפרטית על עקרונותיה הרגילים, בדיוק כמו הרעיון של קיום הטכיונים.

ניסיונות גילוי

בשנת 1973 נטען על ידי צמד חוקרים כי במטר של קרינה קוסמית הובחן חלקיק על-אורי, בעל מסה ממשית, טענה אשר לא אושרה או הוכחה עד היום. טענה זו גררה העלאת השערה כי חלקיקים יכולים להיות בעלי קו זמן עצמאי משלהם שיאפשר להם לנוע למעשה אחורה בזמן, מה שיראה לצופה חיצוני כאילו היה זה טכיון.
מבחינה ניסויית לא נמצאה עד כה הוכחה או הפרכה של טענות אלו.
ב-22 בספטמבר 2011 פרסמה קבוצת חוקרים תוצאות מחקרים שנערכו במשך כ-3 שנים במאיץ החלקיקים בז'נבה, לפיהם נמדדה תנועת חלקיקי נייטרינו במהירות שגבוהה ממהירות האור. בניסוי נמדדו חלקיקים שעברו מרחק של 730 קילומטר בזמן שקצר ב-60 ננו-שניות מהזמן שלוקח לאור לעבור את אותו מרחק. דובר החוקרים הודיע, כי טווח השגיאה בניסוי הוא 10 ננו-שניות. שבועיים לאחר פרסום המחקר הוצע הסבר אפשרי לשגיאת מדידה המבטלת את מהימנותו
אך בפברואר 2012 טענה זו הופרכה לאחר שהתגלה כי כבל אופטי רופף גרם למדידות השגויות והסדר הושב על כנו.

סיבתיות

נראה כאילו באפשרותם של טכיונים להפר את עקרון הסיבתיות – אחד מאבני היסוד של פיזיקת החלקיקים; אך למעשה, אפילו אילו הייתה לטכיונים אפשרות להגיב עם חומר רגיל, לא הייתה הסיבתיות מופרת: נניח כי חלקיק היה שולח טכיון עם אנרגיה שלילית לעבר וקולט אותו (משמע: מידע עבר מהעתיד לעבר של קו העולם של החלקיק), ובכך היה יוצר פרדוקסים לוגיים כמו פרדוקס הסבא. פתרון לכך הוא הפירוש של פיינברג, הגורס כי ניתן לפרש טכיון עם אנרגיה שלילית הנבלע כטכיון עם אנרגיה חיובית הנפלט על ידי החלקיק, וזאת היות שלצופה רגיל אין יכולת להבחין בין קליטה ופליטה של טכיונים, הואיל ועצם הניסיון למדוד טכיון כזה, שמקורו בעתיד, יביא ליצירת אותו טכיון אשר ינוע לעתיד. כך, למעשה, יגלה גלאי טכיונים היפותטי טכיון בכל צורת מדידה שלא תהיה: הוא יקלוט למעשה את הטכיונים שהוא עצמו יוצר.
התוצאה מהאמור לעיל, היא שאם טכיונים קיימים, הם יהיו מסוגלים אמנם להעביר אנרגיה ותנע – אך לצורכי תקשורת הם יהיו חסרי תועלת, כיוון שכל טכיון שיעביר מידע לא ניתן יהיה לגילוי מאחורי רעש הרקע של הטכיונים אשר נוצרים על ידי הגלאי.

תורת השדות ותיאורית המיתרים

בתורת השדות טכיונים מיצגים את הקוונטה (המנה) של השדה, בדרך כלל שדה סקלרי, אשר מסתו בריבוע היא שלילית. קיום של חלקיק כזה מראה על חוסר יציבות של השדה, בעוד שבמירב השדות הקוונטים במצב הריק האנרגיה מינימלית, השדה של הטכיונים נמצא במקסימום מבחינת האנרגיה הפוטנציאלית שלו (בדומה מאוד לכדור בראש גבעה) כך שהפרעה מאוד קטנה תגרום ליצירת חלקיק והתדרדרות של האנרגיה למינימום בצורה מעריכית.
כתוצאה ממנגנון היגס כאשר השדה יגיע למינימום במקום הטכיון יופיע בוזון היגס אשר ריבוע המסה שלו חיובי.
בתיאורית המיתרים הטכיונים מופיעים תדיר כחלק מהמצבים האפשריים של רטיטת המיתרים בתאוריה: אם הטכיון מיוצג באמצעות מיתר פתוח (מה שמייצג חוסר יציבות בממברנה עליה הוא מקושר) המיתר יעבור למצב של מיתר סגור או ממברנה יציבה. אם הטכיון הוא מצב רטט של לולאה סגורה, נגררת אי יציבות במרחב זמן עצמו ובאופן כללי לא ניתן לחזות לאיזה מצב המערכת תדעך ותתייצב בו.

בתרבות פופולרית

הטכיון משמש ככלי עזר להנעת עלילה בהרבה ספרות מדע בדיוני, ומסביר בין היתר תקשורת במהירות העולה על מהירות האור.