Космические рубежи теории относительности

Чтобы проиллюстрировать проблемы, связанные с тахионами, рассмотрим простой эксперимент. Пусть тахион рождается в некоторой точке, пролетает некоторое расстояние и распадается. Предположим, к примеру, что у вас есть ружье, стреляющее тахионными пулями. Когда вы спускаете курок, из ружья вылетает тахион, пересекает комнату и попадает в стену. Назовем момент вылета тахиона из ружья событием А, а момент его попадания в стену - событием В. Поскольку тахион летит быстрее света, мировая линия тахионной пули в пространстве-времени будет пространственноподобной. На диаграмме пространства-времени, изображающей этот эксперимент, отрезок, соединяющий события А и В, должен быть наклонен к вертикали под углом, превышающим 45° (рис. 3.15).

РИС. 3.15. Тахион. Если тахионы существуют, то они движутся по пространственноподобным мировым линиям. На этой диаграмме изображен тахион, двигавшийся от события A (где он был выстрелен из тахионного ружья) к событию В (где он попал в стену).

РИС. 3.16. Тахионы нарушают причинность. На этой диаграмме изображена та же пространственноподобная траектория тахиона от события A к событию В, что и на рис. 3.15. Для движущегося наблюдателя событие В произошло раньше события A.

Предположим теперь, что во время вашего эксперимента кто-то пролетает мимо вас с очень большой скоростью. Его заинтересовало ваше тахионное ружье, и он детально пронаблюдал ход опыта. Что же он увидел? Вспомним прежде всего, что преобразование Лоренца приводит к сближению пространственной и временной осей движущегося наблюдателя. На рис. 3.16 сближающиеся оси движущегося наблюдателя показаны на диаграмме пространства-времени неподвижного наблюдателя. На рис. 3.16 изображен также пространственноподобный путь тахиона от события А (когда вы спустили курок) до события В (когда тахионная пуля врезалась в стену). Для удобства предположим, что вы спустили курок как раз в тот момент, когда движущийся наблюдатель пролетал мимо вас. Когда же, с точки зрения движущегося наблюдателя, тахион попадет в стену? Чтобы ответить на этот вопрос, проведем из события В линию, параллельную пространственной оси движущегося наблюдателя, до пересечения с его осью времени (рис. 3.16). Линия пересечёт временную ось движущегося наблюдателя в точке, предшествующей событию А. Значит, для движущегося наблюдателя событие В произошло раньше события А. Тахионная пуля попала в стену до того, как ружье выстрелило!

За последнее десятилетие учёные неоднократно ставили эксперименты, чтобы найти тахионы. Либо тахионы слабо взаимодействуют с обычным веществом, либо они просто не существуют. Эти эксперименты обычно заключаются в поиске какого-то совершенно неожиданного явления для ядерной физики. Представим себе, например, такой дорожный инцидент: тяжело нагруженный грузовик на полной скорости врезается в стоящий «Запорожец». Ясно, что небольшой автомобиль при таком столкновении будет отброшен по шоссе в том направлении, в котором двигался до столкновения грузовик. Однако если бы в столкновении участвовали тахионы, то «Запорожец» мог быть отброшен и в противоположную сторону. В некоторых экспериментах легкие ядра обстреливаются тяжелыми ядрами. Если бы легкие ядра при этом отскакивали в сторону, противоположную первоначальному полёту тяжелого ядра, то это свидетельствовало бы о присутствии тахионов. Но все эксперименты, предназначенные для обнаружения тахионов, закончились полной неудачей.

В начале 1974 г. два физика, Р. Клей и Ф. Кроуч, опубликовали данные, которые можно было бы назвать «косвенным свидетельством» существования тахионов. Они провели подробный анализ широких атмосферных ливней, возникающих при вторжении в верхние слои земной атмосферы космических лучей высоких энергий. Космические лучи - это атомные ядра и элементарные частицы высокой энергии (обычно протоны или электроны), приходящие из глубин космоса с субсветовыми скоростями. Когда эти частицы (или первичные космические лучи) сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы Земли, в результате этих катастрофических столкновений возникают «ливни» ядерных частиц. Обычно атмосферные ливни возникают на высоте примерно 25 км и состоят из множества частиц, также движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Эти вторичные частицы сталкиваются с атомами в более низких слоях земной атмосферы, порождая в свою очередь огромное число новых частиц, падающих дождем на Землю (рис. 3.17).

РИС. 3.17. Широкий атмосферный ливень космических лучей. Такой ливень порождается протоном или электроном высокой энергии при столкновении с атомом в верхних слоях земной атмосферы. Примерно через 6 стотысячных секунды все образовавшиеся при столкновении осколки «дождем» падают на Землю.