Tachyonen, hypothetische überlichtschnelle Teilchen, stehen im Zentrum neuer physikalischer Untersuchungen der Universitäten Warschau und Oxford. Physiker haben gezeigt, dass frühere Einwände gegen diese Teilchen durch unvollständige Randbedingungen entstanden, während die Idee selbst auf Arbeiten von Columbia-University-Physiker Gerald Feinberg aus dem Jahr 1967 zurückgeht.
Die Vorstellung von Bewegungen jenseits der Lichtgeschwindigkeit gehört zu den kontroversesten Themen in der Physik. Lange galten solche Teilchen als unvereinbar mit der speziellen Relativitätstheorie, doch eine Gruppe von Physikern aus Warschau und Oxford fordert diesen Blickwinkel nun heraus. Zu dieser Gruppe gehören Forscher wie Jerzy Paczos und Kacper Dębski, die entdeckten, dass frühere theoretische Widersprüche lösbar sind, wenn man die Endzustände physikalischer Systeme in die Betrachtung einbezieht.
Die mathematischen Hürden und die historische Wurzel von 1967
Wer Materie in unterlichtschnelle, lichtschnelle und überlichtschnelle Klassen unterteilt – wie es auch Wissenschaftler wie Bilaniuk und seine Kollegen beschrieben haben –, stößt den Gleichungen der Relativitätstheorie zufolge auf eine scheinbare mathematische Hürde. Nach den Berechnungen müssten solche hypothetischen Teilchen eine imaginäre Ruhemasse besitzen. Rechnerisch lässt sich das über imaginäre Zahlen beschreiben, doch physikalisch existiert keine Entsprechung in der Realität, ähnlich wie es keine negative Masse von minus fünf Kilogramm im Alltag gibt.
Den Begriff prägte der amerikanischer Physiker Gerald Feinberg. Der Begriff first entered scientific literature in 1967, in a paper entitled Possibility of faster-than-light particles
by Columbia University physicist Gerald Feinberg. In diesem 1967 veröffentlichten Papier schlug der Physiker vor, dass solche Teilchen aus einem Quantenfeld mit „imaginary mass“ hervorgehen könnten. Feinberg definierte Luxonen, die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Zudem gibt es Bradyonen, die sich langsamer als Licht bewegen und die uns bekannte Materie bilden, sowie Tachyonen, die sich schneller als Licht bewegen. Während Bradyonen mit zunehmender Energiezufuhr schneller werden, verhalten sich Tachyonen umgekehrt: Ihnen wird Energie entzogen, oder je mehr Energie in sie gesteckt wird, desto langsamer werden sie, während unendlich viel Energie nötig wäre, um sie bis auf Lichtgeschwindigkeit abzubremsen.”
Kausalität und die Einbindung der Zukunft in physikalische Theorien
Ein zentraler Einwand gegen überlichtschnelle Teilchen betraf stets die Instabilität ihres Grundzustands, die zur Bildung von „Lawinen“ superluminaler Teilchen führen sollte, sowie die Sorge, dass die Anzahl beobachteter Teilchen vom Beobachter abhängen könnte, was der klassischen Physik widerspricht. Auch die Möglichkeit negativer Energien galt als großes Hindernis. Da die spezielle Relativitätstheorie Raum und Zeit zu einer einzigen Einheit namens Raumzeit verbindet, ist die Reise eines Teilchens durch die Geschwindigkeit mit seiner Reise durch die Zeit verknüpft.”
Wissenschaftler wie Andrzej Dragan erklären dazu, dass ein neuer Ansatz den Einfluss der Zukunft auf die Gegenwart in Betracht zieht, ein Konzept, das in der Quantenphysik selten angewendet wird. Durch erweiterte Randbedingungen, die den Endzustand des Systems zusätzlich zu seinem Anfangszustand einbeziehen, lassen sich die traditionellen Schwierigkeiten auflösen, was die Theorie der Tachyonen kohärent macht. Die Forscher prognostizieren zudem die Entstehung eines neuen Typs von Quantenverschränkung, die Vergangenheit und Zukunft miteinander verknüpft.
Spontane Symmetriebrechung und der Ursprung von Materie
Die jüngsten theoretischen Überlegungen verknüpfen die Existenz von Tachyonen direkt mit grundlegenden kosmologischen Prozessen. Forscher vermuten, dass solche Tachyonen eine entscheidende Rolle beim Prozess der spontanen Symmetriebrechung spielen, der mit der Bildung von Materie zusammenhängt. Demnach hätten Anregungen des Higgs-Feldes vor der Symmetriebrechung durchaus mit superluminalen Geschwindigkeiten reisen können.
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