超光速粒子

**迅子**（英語：tachyon）也稱為**快子**、**速子**，是一種理論上預測的超光速次原子粒子。這種由相對論衍生出的假想粒子，總是以超過光速的速度在運動。迅子與一般物質（相應稱為慢子（tardyon））的交互作用可能不明顯，所以即使其存在也不一定能偵測得到。在狹義相對論中，迅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「迅子」的概念，印度裔美籍物理學家喬治・蘇達珊、比拉紐克（Bilaniuk）、德什潘德（Vijay Deshpande）及傑拉爾德・范伯格 (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。

如果迅子是傳統上可以進入局部參考系當中的粒子，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，迅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，由迅子凝聚或是迅子場論來描述。迅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：迅子很難穩定到可以實際存在的程度。根據此理論，使用迅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，在討論迅子的文章當中，經常被稱為慢子（bradyons 或 tardyons）。

儘管理論的爭議強烈質疑迅子的存在，對迅子假說的實驗依然進行，不過，目前為止，沒有任何有力實驗數據證實迅子存在。

## 特徵

從狹義相對論動力學的角度來看，迅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：

* 使用處理正常慢子（bradyons）相同的方程式來處理迅子。特別是有關於其能量 - 動量關係：

　
: : $E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}\;$

　
: 此處 **p** 是慢速粒子的相對論性動量，而 **m** 是其靜止質量，整個方程式是粒子的總能量：

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

　
: 此方程式則是表達包含了靜止質量的粒子的總能量（不論是慢子或是迅子）及其動能.。

　
: 這當中，整個能量方程式有，當 _v_ 大於 _c_, 具有虛數的分母，因為平方根裡面的值是負數。由於總能量必須是實數，因此，分子也必須是虛數（亦即，靜止質量 **m** 必須是虛數）。

　
: 在量子場論當中，虛質量將會導致迅子凝聚。

* 對質量的域做簡單的替代會導致對迅子具有_實際_的質量。定義 m = i\*z（ $i^{2}=-1$ ）然後，我們會得到愛因斯坦的能量動能關係:

　
: : $E^{2}+z^{2}c^{4}=p^{2}c^{2}\;$

　
: 用這個方式能量公式將會變成:

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

　
: 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

迅子一個很有意思的效應，與正常粒子不同之處，迅子速度增加，其能量減少，零能量時速度無限。（對正常的慢子而言，_能量_增加速度則增加）。因此，一如慢子被限制在光速屏蔽內一樣，迅子亦不能慢到光速，因為要加入幾乎無限的能量才能使迅子慢到光速。

正如 Gregory Benford 等人所述，狹義相對論暗示迅子可以用於聯繫過去的時間（見迅子電話）。而時間旅行是被認為無法實體達成的，迅子被物理學家認為要麼不存在，要麼因為類時與類空區的區別，而無法與正常物質進行交互作用。

### 契倫可夫輻射

如果電磁輻射機制有效，並假設迅子具有電荷，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，帶電荷的迅子將會透過契忍可夫輻射的形式失去能量。不過，理論上，迅子並沒有一定需要帶有電荷。帶電迅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迅子，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。(無限速度時兩個迅子不具能量，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。) 就算無電荷的迅子也會透過重力契忍可夫輻射而損失質量，因為迅子有質量，因而導致迅子被加速，最後必然性地被湮滅。

### 量子場論

對迅子的量子化表明，迅子必須是符合費米・狄拉克統計的自旋狀態粒子。亦即，迅子是張量費米子，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。如果迅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「迅子電話悖論」。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發送信號，另一個事件是從另外一個地點接收信號，如果信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發送信號的事件永遠在接收信號的事件之前。不過，如果一個超光速信號發送出去，則會一直維持信號接收在發送之前，這樣子等於信號在時間穿梭回去。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，那麼如果將信號傳送到過去可行，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 發送信號給觀測者 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 發送一個回應信號，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 接收信號比他原始發出的信號要早。如此，在所有的參考系上面，均違反因果律。數學的細節可以在迅子電話文章中找到。

有爭議使用**范伯格反解原理**來避免上述的迅子回到過去的資訊悖論，范伯格反解原理陳述負能量的迅子被送回_過去_試圖違反因果律可以被_反解譯_為正能量的迅子在時間方向上_前進_。這是因為觀測者無法分辨迅子的吸收及發射（absorption and emission）。對迅子而言，吸收與發射的過程並無差別，因為永遠都存在低於光速的偏移，導致迅子的時空世界線被改變，這對慢子（bradyon）或無質量慢子（luxons）來說，是不成立的。從_未來_試圖要去_偵測_迅子（並導致違反因果律）將會導致_產生_相同的迅子，並且將它向時間前進的方向送出（因而使因果律正確）。**范伯格反解原理**實際上有相當大的爭議性。

事實上，量子場論也爭議，就算是迅子真的存在，迅子也無法攜帶資訊來以超過光速傳送資訊，不論是迅子量子場的微擾無法進行快於光速的傳播，或是迅子根本就無法參與局部參考系。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，這些都不是迅子運動的內涵，因為這些本地的參考系都沒有超過光速。

#### 迅子凝聚

在量子場論當中，迅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。該場域處於局部潛在能量最大值，有如一顆球擺在山頂尖上，任何的輕微搖晃（量子微擾）都會導致這個場以指數成長的振幅向下震盪：這將會導致迅子凝聚。要了解到一旦迅子場域達到其最小平衡能量，其量子態則不再是個迅子，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，質量平方是有效位能的二次微分，而一次微分的值是零。所以，迅子場的二次微分是負值，含意是有效位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迅子。

由於迅子質量平方為負值，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（單粒子態）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。在迅子的例子當中，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，迅子不能被視為是一種粒子。

需要強調的一項重點，在迅子量子場論中，場的操作子都是類空，離散點之間依然是聯絡（或反聯絡），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。

迅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。

## 弦理論當中的迅子

在弦理論當中，迅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迅子場論物理，並且對其場的作用進行預測。

迅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。迅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。如果迅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，迅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迅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，如果閉弦迅子處於奇異點周圍，它將會把奇異點給消解掉。

弦理論當中的迅子凝聚作用，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：科幻作品當中的迅子

迅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。迅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（2010 年）的美國電視劇當中，《超時空感應》的主題就是因為高能加速器對迅子的實驗，無預警的迅子閉弦震動波的影響，導致全球所有的人都受到影響（blackout），全球的人都停止活動兩分十七秒，活動停頓導致災難，因而使得數千萬人死亡，並且全球的人看到未來六個月後的事件發生影像（flash forward）。該科幻劇所使用的迅子弦理論原理即為「迅子電話」及「迅子閉弦凝聚」。

## 相關條目

* D - 膜
* 無質量粒子
* 龐加萊群（Poincaré group）
* 超越性慢子（Superbradyon），另一類假想的超光速粒子
* 迅子凝聚
* BPST 瞬子
* 迅子時空電話（Tachyon anti-telephone）

## 對照與參考

## 外部連結

* 超光速（FTL）FAQ（from the Internet Archive）
* "Tachyon" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） from Eric Weisstein's _World of Physics_
* Tachyon （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） entry from the _Physics FAQ_