快子

快子（tachyon）也称为迅子、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。

## 历史

德国物理学家阿诺·索末菲首先提出“快子”的概念，印度裔美籍物理学家、比拉纽克（Bilaniuk）、德什潘德（Vijay Deshpande）及杰拉尔德·范伯格(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实快子存在。

## 特征

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。

### 质量

有两种类同的方法来处理其动能：

- 使用处理正常慢子（bradyons）相同的方程来处理快子。特别是有关于其能量-动量关系式：

$$E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 \;$$

此处p是慢速粒子的相对论性动量，而m是其静止质量，整个方程是粒子的总能量：

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

此方程则是表达包含了静止质量的粒子的总能量（不论是慢子或是快子）及其动能。

当v大于c的时候，因为平方根里面的值是负数，所以分母会有虚数。由于总能量必须是实数，因此分子也必须是虚数（亦即静止质量m必须是虚数）。

在量子场论当中，虚质量将会导致快子凝聚。

- 对质量的域做简单的替代会导致对快子具有实际的质量。定义m = iz（$i^2 = -1$），我们会得到爱因斯坦的能量-动量关系式：

$$E^2 + z^2c^4 = p^2c^2 \;$$

用这个方式能量公式将会变成：

$$E = \frac{zc^2}{\sqrt{\frac{v^2}{c^2} -1}}$$

而我们将可以避免任何的虚质量产生，透过这种方式避开问题，恰好解释了复数值质量在理论物理上的含义。

两种数学方法在理论物理上具有同等的结果。

### 速度

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）。

### 契伦可夫辐射

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。

### 量子场论

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。

#### 因果律

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。

#### 快子凝聚

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。

## 弦理论当中的快子

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。

## 娱乐：科幻作品当中的快子

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（blackout），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”。

## 相关条目

- D-膜
- 无质量粒子
- 庞加莱群（Poincaré group）
- 超越性慢子（Superbradyon），另一类假想的超光速粒子
- 快子凝聚
- BPST瞬子
- 快子时空电话（Tachyon anti-telephone）

## 外部链接

- 超光速（FTL）FAQ（from the Internet Archive）
- "Tachyon" from Eric Weisstein's World of Physics
- Tachyon entry from the Physics FAQ