Tổng quan về hạt Tachyon
Tachyon (Tắc-chi-ông, Tiếng Hi lạp nghĩa là "hạt chuyển động nhanh") là một hạt hạ nguyên tử được giả định di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Trong thuyết tương đối đặc biệt, vẫn chấp nhận có những hạt "siêu ánh sáng" như thế. Sự khác nhau cơ bản giữa các hạt này với các hạt thường là không thể tồn tại một hệ quy chiếu mà trong đó, hạt Tachyon là đứng yên. Hay nói cách khác Tachyon không thể có vận tốc bằng không. Một điều đặt biệt nữa, có tồn tại hệ quy chiếu trong đó vận tốc của hạt Tachyon lớn lên vô cùng. Đối với các hạt Tachyon, quá trình bức xạ và hấp thụ phụ thuộc vào sự lựa chọn hệ quy chiếu.
Vì Tachyon di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chúng ta không thể nhìn thấy nó đang đến gần được. (Cũng giống như khi ngồi trong con tàu chuyển động nhanh hơn ánh sáng, chúng ta không thể nhìn thấy thiên thạch đang lao đến trước khi va vào nó) Sau khi một Tachyon đã trôi qua, chúng ta có thể thấy hai hình ảnh của nó, xuất hiện và chuyển động theo hai hướng ngược nhau. Các cung màu đen là sóng xung kích của bức xạ Cherenkov, được mô tả tức thời trong một khoảnh khắc của thời gian. (Ảnh Wikipedia).
Giả thuyết đầu tiên về các hạt tachyon được nêu ra bởi nhà vật lý Đức Arnold Sommerfeld. Tuy nhiên, sớm hơn nữa, vào thập niên 60 của thế kỉ này, chính George Sudarshan, Olexa Myron Bilaniuk, Vijay Deshpande và Gerald Feinberg mới là những người thiết lập một khuôn khổ lý thuyết cho các nghiên cứu về tachyon.
Nếu thật tachyon là một hạt định xứ, nó có thể được sử dụng để gửi tín hiệu nhanh hơn tốc độ ánh sáng, điều này vi phạm nguyên lý nhân quả trong thuyết tương đối đặc biệt. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của lý thuyết trường lượng tử (QFT), tachyon được hiểu là đại diện cho một sự bất ổn của hệ thống và được sinh ra thông qua quá trình ngưng tụ Tachyon (tachyon condensation), chứ không được xem như là hạt nhanh hơn ánh sáng thực sự. Những sự bất ổn đó được mô tả bởi trường tachyon.
Theo đó, tachyon là một hạt đồng hành siêu đối xứng, xuất hiện khi dùng chuyển đổi lý thuyết giữa fermion và boson trong QFT.
Trường tachyon đã xuất hiện về mặt lý thuyết trong nhiều trường hợp, như trong lý thuyết dây bosonic. Theo quan điểm hiện tại về hạt, tachyon không ổn định nên nó không được xem là một hạt tồn tại thực sự. Cũng theo lý thuyết trên, sự truyền dẫn thông tin nhanh hơn ánh sáng và tính vi phạm nguyên lý nhân quả của hạt tachyon là không thể.
Có nhiều cuộc tranh cãi và các cuộc thí nghiệm về sự tồn tại của các hạt tachyon, vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm cho sự tồn tại của các hạt Tachyon. Vào cuối tháng 9 năm 2011, bằng thí nghiệm do thời gian bay của neutrino và photon, phòng thí nghiệm CERN - OPERA đã cho thấy hạt neutrino có thể vượt qua tốc độ ánh sáng, nhưng các nhà khoa học của OPERA vẫn chưa đưa ra kết luận và yêu cầu các nhóm khác xác minh kết quả của họ. Chúng ta biết điều này quan trọng thế nào, một sai biệt nhỏ trong kết quả thí nghiệm có thể dẫn đến những thay đổi lớn trong nhận thức, đó là cơ sở để sàng lọc các lý thuyết trường thống nhất.
Khối lượng âm của tachyon
Dựa vào lý thuyết tương đối áp dụng cho các hạt chuyển động vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng (trong chân không) và cũng áp dụng cho các tachyon vì chúng cũng tồn tại trong không thời gian. Mối quan hệ năng lượng – động lượng là
Với p là động lượng tương đối tính, m là khối lượng nghỉ, khi đó, năng lượng toàn phần là
Theo công thức trên, ta thấy năng lượng toàn phần có quan hệ với khối lượng nghỉ của hạt và cũng có mối liên hệ với tốc độ chuyển động qua số hạng v2/c2 trong dấu căn
Tuy nhiên, vì với tachyon, v>c nên số hạng này là nhỏ hơn 1 hay nói cách khác, hệ thức trong dấu căn là âm tức là E là một số ảo, một năng lượng ảo!
Năng lượng cần là một số thực, vì vậy, tử số cần phải là một số ảo. Điều này dẫn đến m, khối lượng tachyon phải là ảo.
Theo QFT, khối lượng ảo sẽ dẫn đến sự ngưng tụ tachyon như đã đề cập.
Với dự đoán khối lượng là một số phức, để đảm bảo năng lượng của tachyon trong tương quan khối lượng – năng lượng Einstein là dương, người ta khó chấp nhận một kết nối họ hàng nào giữa tachyon và neutrino. Tuy nhiên, điều này lại mở ra một khả năng về sự tồn tại thực sự của các chiều dư. Một tương tự đơn giản, sự thống nhất không gian và thời gian buộc Einstein phải mang vào thành phần thời gian một thành phần phức.
Tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng của Tachyon
Hạt Tachyon là siêu hạt có vận tốc chuyển động lớn hơn vận tốc ánh sáng. Nó có những tính chất trái ngược với các hạt thông thường được biết.
Khi nó mất năng lượng thì nó lại chuyển động nhanh hơn và ngược lại. Năng lượng bằng 0 thì vận tốc tiến tới vô hạn.
Trong khi với các hạt thông thường, năng lượng tăng do sự tăng của vận tốc với ngưỡng là c, tốc độ ánh sáng. Để đạt ngưỡng này, nó cần một năng lượng vô hạn. Vì vậy các hạt thông thường không thể đạt tới tốc độ ánh sáng. Ngược lại, tachyon phải chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Gregory Benford, đã đề cập rằng tachyon được bao hàm trong thuyết tương đối đặt biệt, mà nếu tồn tại, chúng ta có thể sử dụng để trở vế quá khứ.
Năm 1985, Chodos và các cộng sự đã dự đoán rằng neutrino có thể là các tachyon tự nhiên. Thí nghiệm tại CERN – OPERA hồi tháng 9 năm 2011 với chùm neutrino liệu có thể khẳng định điều này? Như đã nói, các nhóm nghiên cứu còn đang kiểm chứng.
Tachyon trong mô hình chuẩn
Mô hình chuẩn (Standard model) hoạt động khá hiệu quả trong thế giới hạt cơ bản (hạt hạ nguyên tử). Sau thành công của mô hình này, các nhà vật lý cách đây gần nửa thế kỉ đã tiếp tục mở rộng mô hình. Các công việc xoay quanh một ý tưởng cơ bản, có hay không sự biến đổi giữa các fermion (spin bán nguyên) và các boson (spin nguyên)?
Bằng cách giả thuyết các mối quan hệ này là có tồn tại, việc tiếp tục mở rộng đã ra đời hạt đồng hành siêu đối xứng. Mỗi hạt fermion hay boson đã được tìm thấy trong Mô hình chuẩn sẽ sóng đôi với một hoặc một nhóm hạt đồng hành với nó. Như lượng tử ánh sáng photon (boson) có bạn đồng hành photino (fermion), hạt truyền tương tác yếu W(boson) có bạn đồng hành wino(fermion). Tachyon là một trong số các hạt đồng hành siêu đối xứng này.
Với dự đoán khối lượng là một số phức như đã trình bày trên, để đảm bảo năng lượng của tachyon trong tương quan khối lượng – năng lượng Einstein là dương, khó mà chấp nhận mối tương quan họ hàng giữa tachyon và neutrino. Tuy nhiên, điều này đã mở ra một khả năng về sự tồn tại thực sự của các chiều dư. Giống như việc thống nhất không gian và thời gian đã buộc Einstein phải mang vào thành phần thời gian một đơn vị phức.
Các chùm neutrino dùng trong các thí nghiệm ở CERN hồi tháng 9 năm nay hoàn toàn có thể "xuyên hầm" thông qua các chiều dư này để đến đích trước. Nếu vậy, quãng đường thực sự các neutrino đã đi qua, có thể vẫn ngắn hơn so với của ánh sáng trong cùng một thời gian.
Mặc dù khẳng định về độ chính xác của phép đo đã được cải thiện, nhưng nhiều nhà vật lý vẫn còn hoài nghi về sai số của phép đo. Phép đo tốc độ là gián tiếp, việc tinh chỉnh đồng hồ đồng bộ ở điểm xuất phát và đích đến của các neutrino và độ chính xác của đồng hồ, và có thể kể cả ‘tương tác ma quỷ’ vướng víu lượng tử.
Tuy nhiên, đây rõ ràng là một tín hiệu đáng mừng. Như ta đã biết, sự thống nhất tương tác hấp dẫn và ba tương tác còn lại đang đi vào ngõ cụt. Sự hạn chế của thuyết tương đối Einstein có thể là rào cản cho sự hợp tác này. Phá vỡ rào cảng này có lẽ sẽ mở ra một chân trời mới trong nhận thức cũng như trong việc sàng lọc các lý thuyết vật lý!
Những thí nghiệm sẽ tiến hành sắp tới đây cùng việc phân tích lại dữ liệu mà OPERA đã sử dụng sẽ dần sáng tỏ vấn đề, và khi đó, Vật lý, một lần nữa không còn là tòa lâu đài đã hoàn chỉnh chỉ cần quét bụi ở một số ngóc ngách.
Tachyon trong lý thuyết dây
Trong lý thuyết dây, tachyon cũng được làm sáng tỏ như trong QFT, tuy nhiên, lý thuyết dây, về nguyên tắc, không chỉ mô tả về ý nghĩa vật lý của trường tachyon mà còn dự đoán trường này sẽ xuất hiện khi nào.
Trường tachyon xuất hiện trong nhiều phiên bản lý thuyết dây. Một cách tổng quát, trong lý thuyết dây, các hạt electron, photon, garaviton,… thực chất là các trạng thái dao động khác nhau của cùng một dây cơ sở.
Khối lượng của hạt có thể dẫn ra từ các dao động của dây. Nói một cách cho dễ hiểu, khối lượng của hạt phụ thuộc vào “điệu” của dây dao động “phát ra”.
Tachyon thường xuất hiện trong phổ của các trạng thái dao động khả dĩ. Trong phổ này, xuất hiện một vài trạng thái có bình phương khối lượng là một số âm, tức khối lượng là một số phức.
Neutrino với Tachyon
Neutrino (Notrino) là hạt do Pauli tìm ra về mặt lý thuyết để đảm bảo các bảo toàn cơ bản của phân hủy beta (bảo toàn năng lượng, bảo toàn xung lượng và bảo toàn momen xung lượng) vào năm 1930. Tên ban đầu của nó là neutron (trùng với tên của nucleon trung hòa điện cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử). Sau khi James Chadwick tìm ra thành phần trung hòa điện cấu thành hạt nhân, hạt mà hiện nay gọi là neutron (notron), để tránh nhầm lẫn, Fermi đưa ra gợi ý với tên gọi ‘hạt neutron nhỏ’. Vào năm 1942, Kan-Chang Wang mới mang lại cho nó tên gọi vẫn còn được dùng tới ngày nay, neutrino.
Do tính trung hòa điện của hạt này và khối lượng khác không rất bé, nên hạt chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng và tương tác rất yếu với vật chất thông thường. Việc ‘bắt’ được đứa bé này trở nên khó khăn, do đó sự kiểm chứng nó một cách chắc chắn về mặt thực nghiệm chỉ mang lại kết quả trong vài năm gần đây.
Vượt qua cả tốc độ của ánh sáng (lượng tử photon) là điều dường như chỉ xảy đến trong viễn tưởng. Tuy nhiên những thí nghiệm thu thập trong 3 năm vừa qua mà nhóm OPERA thuộc CERN đã tiến hành, cho thấy ‘hạt neutron nhỏ’ này chuyển động nhanh hơn cả ánh sáng, dù tỉ lệ này khá nhỏ.
Điều này kéo theo một loạt các hệ quả rối rắm, phá vỡ tính nhân quả, nền vật lý hiện đại mà một chân trụ của nó dựa trên thuyết tương đối của Einstein sẽ mất thế đứng cân bằng, du hành vượt thời gian là khả thi. Bạn có thể tưởng tượng được không, mũi tên sẽ trung đích trước khi bạn kịp buông dây cung, bạn sẽ được sinh ra trước khi có cha mẹ bạn!
Các lý thuyết không tiên đoán ngoại lệ đặc biệt này của neutrino. Nhưng lại tiên đoán một hạt khác có khả năng vượt tốc độ ánh sáng, như đã nói, hạt tachyon được tiên đoán bởi mô hình chuẩn. Vì sự hiếm hoi mang tính bước ngoặc nên việc ghép họ hàng cho hai hạt Tachyon và Neutrino cũng không gây nhiều ngạc nhiên.
Trần Triệu Phú - Thới Ngọc Tuần Quốc - Trần Hữu Tài - Cộng Tác viên Thư Viện Vật Lý
