O UNIVERSO DOS TÁQUIONS - parte 2

OS TÁQUIONS E A TEORIA DA RELATIVIDADE:

Na física quântica, a energia que permeia o cosmo é chamada de energia de ponto zero. Tal energia não possui forma, é mais rápida que a velocidade da luz e onipresente. Esta forma de energia não possui spin, oscilação ou força gravitacional.

Esta forma de energia surge com os trabalhos de Max Planck, que procurava rederivar a expressão para o espectro da energia emitido por um corpo negro, de um modo diferente do que havia sido feito em 1900.

Logo, no limite de temperatura zero Kelvin, a energia mínima para um oscilador de Planck não seria zero, mas sim meio quantum, denominada Energia de Ponto Zero, a mais baixa possível, em termos de Mecânica Quântica, que um sistema físico pode possuir em seu estado fundamental (aquele no qual a densidade de probabilidade não varia com o tempo).

A energia de vácuo é a energia de ponto zero para todos os campos no espaço que, no modelo padrão,incluem o campo eletromagnético, os campos de calibre, os campos fermiônicos e o campo de Higgs.

É a energia de vácuo que, na teoria quântica de campos, não se define como o espaço vazio, mas como o mais baixo estado dos campos, ou seja, é a mais baixa energia de um campo. Na cosmologia, a energia de vácuo é uma possível explicação para a constante cosmológica.

Esta energia é a responsável pelo efeito Casimir, causa o pelas flutuações do vácuo no espaço vazio, que se trata da formação de pares de partículas virtuais/antipartículas virtuais que continuamente se formam do vácuo e retornam para o vácuo.

À velocidade da luz todos os tipos de coisas estranhas acontecem. Comprimentos se contraem, o tempo flui mais lento, as massas aumentam e quanto mais energia o sistema recebe, mais veloz ele fluirá.

 Porém, os objetos jamais atingirão a velocidade da luz. Entretanto, eles sempre verão a velocidade da luz fluir com a velocidade “c”.

De acordo com a teoria da relatividade especial, sabe-se que o limite para as velocidades no universo é dado pela velocidade da luz. Porém, caso algo sempre tenha viajado a velocidades superiores a da luz, tal hipótese não é proibida pela relatividade especial.

Já, uma partícula sem massa, como os fótons, viajará a velocidade da luz e aquelas que possuem massa viajarão a velocidades subluminais.

Sabemos pela relatividade que:

T = T0/ [(1-(v^2/c^2))^(1/2)]

L = L0 *[(1-(v^2/c^2))^(1/2)]

e

M = M0 / [(1-(v^2/c^2))^(1/2)]

Onde:

T = Tempo medido por outro observador em outro referencial;

T0 =   Tempo medido por um observador no mesmo referencial;

L = Comprimento medido por outro observador em outro referencial;

L0 = Comprimento medido por um observador no mesmo referencial;

M = Massa medida por outro observador em outro referencial;

M0 = Massa medida por um observador no mesmo referencial;

v = velocidade do objeto;

c = velocidade da luz.

As implicações disso são que a velocidade da luz, no respectivo referencial em que a partícula se encontra, teremos dimensões espaciais de zero e massa infinita, o que seria conseguido somente com uma energia também infinita fornecida para o corpo.

Todavia, seria isso realmente real? Em 1962 Bilaniuk, Deshpande, e Sudarshan disseram: NÃO (Am. J. Phys. 30, 718 - 1962)!

Em 1967, Feinberg propôs que os taquions poderiam ser os quanta de um campo quântico com massa ao quadrado negativo (On the possibility of faster-than-light particles" - Phys. Rev. 159, 1089—1105, 1967).

 

Ele logo percebeu que excitações de tais campos de massa imaginárias de fato não se propagarvam mais rápido que a luz. e, Em vez disso representavam  uma instabilidade conhecida como condensação de táquions.

Os físicos dizem que partículas como táquions não podem existir uma vez que elas violam as leis da física. Caso os táquions existam, poder-se-ia construir o “telefone antitaquiônico”, conforme denominado por Gregory Benford. Este aparelho enviaria sinais com velocidades superiores a da luz.

Entretanto, o aparelho violaria a casualidade, ou seja, na descrição de Einstein e Sommerfeld, significaria “telegrafar para o passado”, experimento também idealizado por Richard C. Tolman, em 1917, que ficou conhecido por “paradoxo de Tolman”.

O que aconteceria se uma partícula viajasse a uma velocidade maior que a da luz em um determinado meio? 

Esta partícula passaria a emitir luz na forma de um cone, que se interpreta como a partícula liberando o excedente de energia para chegar ao limite da velocidade as luz. Esta é a radiação de Cherenkov (a ser explicada mais adiante).

 

Quanto aos táquions, se existissem, não seria possível vê-los se aproximando. Após sua passagem, seria possível ver duas imagens dele: aparecendo e partindo em direções opostas.

A linha preta e a onda de choque da radiação de Cherenkov em um breve momento. O efeito de imagem dupla será mais proeminente para um observador localizado diretamente no caminho de um objeto a velocidade superluminal (a esfera cinza).

A imagem azulada, à direita, é a imagem formada no desvio para o azul, quando chega ao observador, localizado no vértice preto das linhas da radiação de Cherenkov, a partir da esfera, quando esta se aproxima.

A imagem avermelhada, à esquerda, é formada pelo desvio parta o vermelho que deixa a esfera após esta passar o observador. 

Como o objeto chegaria antes da luz, o observador não veria nada, até que a esfera comece a passá-lo, sendo que depois a imagem, como vista pelo observador, se partiria em duas: uma para a esfera que chega (da direita) e outra para a esfera que parte (a esquerda).

Teorias potencialmente consistentes, que permitem partículas viajarem a  velocidades mais rápidas  que a da luz, incluem aqueles que quebram a invariancia de Lorentz (a simetria subjacente da relatividade especial), de modo que a velocidade da luz não constitui um obstáculo em si.

Tem sido proposto que os táquions poderiam ser produzido a partir de colisões de partículas de alta energia Assim, tem-se procurado pelos táquions  tem sido realizadas a partir de experimentos com raios cósmicos.

 

Os raios cósmicos atingem a atmosfera da Terra com energias elevadas, alguns deles com uma velocidade quase 99,99% da velocidade da luz, ecolidem com  moléculas presentes na atmosfera. As partículas formadas nestas colisões interagem com o ar, criam ainda mais partículas, conforme o fenômeno conhecido como “chuveiro de raios cósmicos”.

Alguns teóricos afirmam que se os táquions existirem, o universo poderia ser preenchido com eles Todavia, eles interagiriam muito fracamente com a matéria comum que não poderíamos detectá-los.

 Os físicos têm procurado por alguns registros experimentais e até agora nenhum dos laboratórios de alta energia do acelerador terem detectado uma interação que poderia apenas  ser explicada por táquions. Isto significa que táquions devem interagir muito mais fracamente do que neutrinos. Se eles existirem, os  táquions seriam extremamente difíceis de serem utilizados em nossa compreensão atual da física.

Em 1973, ao utilizar-se um grande conjunto de detectores de partículas, Philip Crough e Roger Argila identificaram uma partícula superluminal putativa um feixe de raios cósmicos, embora este resultado não tenha sido novamente reproduzido. Ou seja, não há ainda evidencias convincentes de que os táquions realmente existam.

Até hoje os táquions jamais foram detectados e agora James Wheeler e Joseph Spencer da Universidade Estadual de Utah, EUA, julgam ter descoberto a razão disso.

Wheeler e Spencer começaram por imaginar um universo que só tem distâncias, sem a dimensão temporal.

A medida mais simples neste universo é comparar duas distâncias entre si: uma barra de um metro de comprimento deveria ter a metade do comprimento que uma barra de dois metros, não importa qual seja o seu ponto de vista, ou se você esteja olhando de um ângulo distinto ou de outro lugar diverso.

Todos estes pontos de vista formariam um espaço abstrato mais complexo, o “espaço de simetria de medidas”.

Matematicamente, isto resulta em um modelo bem similar ao do “espaço de fase”, que é o coração da teoria da mecânica quântica e outras teorias físicas. O espaço de fase descreve não só a posição de um objeto, mas também seu momento – e indiretamente, a trajetória do objeto.

Em seu modelo, todas as trajetórias ficam abrigadas em dois cones opostos que encontram-se em um ponto. Tal parece com um conjunto de trajetórias que vêm do passado, passando através de um ponto no presente, e saindo novamente até o futuro. Assim, algo equivalente ao conceito de tempo surge nesse modelo.

De fato, este agrupamento de trajetórias imita o “cone de luz” da teoria da relatividade, que descreve as rotas no espaço-tempo das partículas que viajam até a velocidade da luz. O cone de luz também divide o passado e o futuro.

Na relatividade restrita teoricamente é possível conceber os táquions viajando fora do cone de luz - veja em vermelho no desenho, o táquion desloca-se do ponto A (na hipersuperfície do presente) para o ponto B (futuro), externo ao cone de luz. Mas no modelo de Wheeler e Spencer, isto é inconcebível, uma vez que o cone desse novo modelo  está realmente limitado pelo conjunto de todas as possíveis trajetórias do objeto.

 

O TEMPO EMERGENTE

  
 O tempo emergente requer que duas questões se esclareçam:



1 - O que significa algo ser mais rápido que a velocidade da luz? 

Isso significa que o próprio conceito de tempo poderia se inverter, a ponto de alguém conversar com si mesmo no passado. Para tal, ela deveria enviar suas mensagens usando como meio os táquions. 

à medida que as velocidades aumentam, a massa do objeto também aumente. Se uma nave fosse acelerada cada vez mais, sofreria mais e mais resistência à aceleração o que dificultaria ela de atingir a velocidade da luz, demandando para tal uma energia infinita.

De acordo com Paul Davies, a teoria da relatividade não restringe objetos com velocidades superiores a da luz. Daí pode-se falar em táquions, que respeitariam o inverso do limite de velocidade do universo, sendo a velocidade da luz o piso para a velocidade dos táquions.

Assim, os brádions ao diminuírem sua vewlocidade possuem menos energia. Já os táquions possuem mais energia.

Isso ocorre porque o conceito de massa para os táquions difere daquele dos brádions. Para estes, a massa é real; e, para aqueles, ela será imaginária. Assim, caso os táquions existam,. eles cruzariam o universo instantaneamente.

Caso os táquions existam, devem ser procurados no big bang, que originou toda a matéria do universo. É possível que em sua fase primordial, o cosmo tenha resíduos taquiônicos espalhados pelo espaço.

O universo ao se expandir, faz com que a matéria comum perca energia e se aquiete. Já, para os táquions, sua forma de matéria também perderia energia, porém esta perda não os aquietaria. Em vez disso, os aceleraria. Logo, um gás de táquions ao chegar a enrgia zero, atingirá velocidades infinitas e os táquions deixariam de existir abruptamente.

Ex. no diagrama espaço - tempo, um objeto parado tem sua linha paralela ao eixo das ordenadas. Isto significa que apenas o tempo está fluindo. Caso se movimente e aumente sua velocidade, esta linha se inclinará cada vez mais até atingir um ângulo de inclinação de 45 graus, no limite da velocidade da luz. Isto é o tempo e o espaço fluirão.

Os táquions tem ângulo mais acentuado que 45 graus e tendem a ficar na horizontal quando a velocidade se aproxima do infinito. é como se tais partículas estivessem em muitos lugares e o tempo não passasse para elas. Assim, deixam de existir no espaço - tempo, que é o efeito da expansão do universo sobre elas.

 Todavia, para os físicos, os paradoxos do tempo afastam em definitivo o conceito de táquions. Um observador imóvel pensará que um observador em movimento recebe um sinal de pois de enviado. Mas para o observador em movimento, o sinal poderá chegar ao destinatário antes de ser enviado, ou seja, o destinatário do sinal estará no passado.

O que poderia atestar a existência dos táquions seria encontrar tais partículas em nosso mundo - o convencional. Não há por que pensar em paradoxos caso não se tente controlar ou agir sobre os táquions.

Estas partículas não violam as leis da natureza. Logo, se algo não é proibido, a natureza tenderá a produzi-lo. Assim, não seria surpresa se um dia alguém descobrisse os táquions

2 - Por que deveria seu complexo espaço de simetrias ter alguma relevância para o espaço “real” e o tempo no qual habitamos? 

A razão é que o modelo vincula o espaço sem tempo com algo similar ao nosso conceito comum de espaço-tempo, o que significa que estas duas descrições são equivalentes. Qualquer evento que pode descrever-se no marco do espaço-tempo pode ser modelado da mesma forma por uma estrutura em um espaço sem tempo.

As conseqüências podem ser profundas. O espaço sem tempo não pode ser alterado, assim tal poderia significar que nosso universo é determinístico, com o futuro selado definitivamente, ou seja, gravado em pedra.

Wheeler suspeita que nossa percepção de “tempo” corresponde à distância de um ponto especial do espaço de quatro dimensões sem tempo que modelaram. Se correto, tal ponto poderia marcar o início aparente do tempo no Big Bang.

O matemático Shahn Majid de Queen Mary, Universidade de Londres, também trabalha na questão de como o tempo poderia surgir a partir da atemporalidade.

Shahn Majid acredita que os resultados de Wheeler e Spencer podem ser, contudo, considerados limitados, pois dependem de uma aproximação matemática concreta. Mas ele não desvaloriza esse trabalho. “É inovador e oferece a resposta adequada - de como surge o tempo - disse a New Scientist. “E agora há abordagens distintas para esta questão, as quais poderiam estar todas ligadas, o que se aproxima de uma teoria emergente sobre a “origem do tempo”.

  

O UNIVERSO DOS TÁQUIONS - parte 1

Introdução

 Os Táquions têm sido alvo de muita especulação dentro do campo da física de partículas, pelas múltiplas possibilidades que eles nos traríam de forma a romper os limites de velocidade do universo e assim podermos mesmo fazer viagens espaciais e enviar sinais a limites superiores à velocidade da luz, tal como ocorre em "Star Treck".

Todavia, há muita pseudociência em torno da possibilidade de sua existência, como: empresas dando o nome "tachyon" a seus produtos, mistificação da física quântica em torno de tratamentos holísticos e esoterismo.

Assim, recomendamos cuidado nas leituras.

Nesta série falaremos sobre esses estranhos e suas generalidades como o que são táquions, o campo taquiônico, condensação de táquions e sua influência no universo.

O termo táquion foi cunhado por Gerald Feinberg em 1967 no artigo "Possibility of Faster-Than-Light Particles" que tratou de campos quânticos com massa imaginária.

 Feinberg acretitava que tais campos permitiriam velocidades superluminais. Porém, mais tarde percebeu-se que seu modelo não permitia tais velocidades, em vez disso, uma massa imaginária representava uma instabilidade, conforme o processo denominado "condensação de táquions" (Aharonov, Y.; Komar, A.; Susskind, L. (1969). "Superluminal Behavior, Causality, and Instability". Phys. Rev. - American Physical Society - 182 ({5},): 1400–1403).

As velocidades superluminais (FTL), para comunicações e para viagen,s se referem à propagação de informações ou de matéria, mais rápido que a velocidade da luz.

Segundo a teoria da relatividade especial, uma partícula (que tem massa de repouso) com velocidade subluminal precisa de energia infinita para acelerar até a velocidade da luz, embora a relatividade especial não impessa a existência de partículas que viajam mais rápido do que a luz como os táquions.

 

Na explicação de Lisa Randall (Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions, p. 286):

 

"As pessoas inicialmente pensam em táquions como sendo partículas que viajam mais rápido do que a velocidade da luz ... Mas agora sabemos que um táquion indica uma instabilidade em teorias que o contenham Infelizmente para os fãs de ficção científica, táquions não são partículas físicas reais que aparecer na natureza ".

Alguns físicos teóricos afirmam que os neutrinos possuem uma natureza taquiônica (aqui, aqui e aqui), enquanto outros contestam esta possibilidade (Hughes, R. J.; and Stephenson, G. J., Jr.; Against tachyonic neutrinos, Physics Letters B 244, 95-100; 1990).

 

 

OS TÁQUIONS

Brian Greene (O universo elegante, p.204 – 205. Companhia das Letras) explica que os táquions têm sua origem na teoria das cordas, surgida dos trabalhos de Veneziano. Esta teoria acreditou-se ser aquela que conciliaria a teoria quântica com a gravitacional. Ela surgiu em 1968, com o intuito de descrever as partículas de interação forte, como os hádrons, sem incorporar a supersimetria.

De início chamava-se teoria das cordas bosônicas, ou seja, todos os seus padrões vibratórios possuem spin inteiro, não havendo portanto, os padrões fermiônicos (aqueles com spins diferentes de números inteiros por meia unidade).

Isso levou a dois problemas:

1 - Se a teoria das cordas visa a descrever todas as forças e toda a matéria, ela teria de incorporar, de algum modo, os padrões vibratórios fermiônicos, uma vez que todas as partívulas de matéria conhecidas possuem spin 1/2.

2 - A teoria das cordas bosônicas ainda previu um problema extremamente complicado, que se tratava de um padrão vibratório cuja massa ao quadrado era negativa, o que se denominou como táquion.

 Como será abordado mais adiante, muitos físicos já vinham estudando a possibilidade das partículas táquions, além das partículas usuais aquelas com massa positiva. Porém, seus esforços mostraram muitas dificuldades, se não a impossibilidade, de que uma teoria como esta tivesse sensatez lógica.

Mesmo na teoria das cordas bosônicas, os físicos tentaram todo o tipo de manobra para explicar razoavelmente o padrão dos táquions, porém sem qualquer sucesso. Ou seja, a teoria das cordas bosônicas não foi bem sucedida.

 Não só pelo problema dos hádrons serem formados por quarks unidos entre si pela força forte, ou por existirem muito mais férmions (neutrinos, elétrons, quarks). Todavia, a teoria das cordas sobreviveu não como uma teoria dos hádrons, mas como uma teoria da gravidade, mais especificamente, da gravidade quântica.

O principal problema da versão original da teoria das cordas é que ela continha os táquions, os quais representam uma instabilidade numa teoria, conforme explicado por Lisa Randall. Assim, caso sua teoria apresente táquions, ela estará sendo analisada de forma incorreta. Um sistema que contenha táquions pode e se transformará em um sistema com baixa energia, no qual o táquion estará ausente.

Dessa forma, um sistema que contenha táquions não durará o suficiente para que cause qualquer efeito físico; trata-se apenas de uma característica de incorreção ao descrever uma teoria. há que se encontrar uma via teórica relacionada a configurações estáveis, ausentes de táquions, antes de se identificar partículas físicas reais e forças. A menos que esta teoria contenha tal configuração, ela será incompleta.

Assim, a teoria das cordas com os táquions não faz sentido, embora não se saiba como formular esta teoria de forma a eliminá-los. Isso quer dizer que as predições da teoria das cordas acerca de outras partículas, ainda que além dos táquions não é confiável.

 Ramond, Neveu e Schwarz descobriram uma versão alternativa das cordas supersimétricas: a teoria das supercordas, a qual contém partículas de spin 1/2, o que lhe confere potencial para descrever o Modelo Padrão dos férmions (elétrons e diferentes tipos de quarks). Nesta teoria os padrões bosônicos e fermiônicos surgem aos pares; para cada padrão bosônico há um padrão fermiônico, o que reflete seu caráter altamente simétrico.

Esta teoria não contém o padrão vibratório dos táquions, o que causou sérios problemas a sua primeira versão, a teoria das cordas. A teoria das supercordas, que parece mais promissora que a teoria das cordas, em todos os casos, por não possuir a instabilidade dos táquions, não está com seu progresso ameaçado.

Por enquanto, a teoria das cordas é a única maneira de alcançarmos a unificação da mecânica quântica com a relatividade geral. É em sua versão de teoria das supercordas (teoria das cordas com a supersimetria) que tornou possível o caminho para a formulação de uma teoria quântica da gravidade e a unificação de todas as forças e da matéria.