Tady je – jako koneckonců velmi často – třeba rozlišovat mezi sci-fi a skutečnou fyzikou. Pojem „tachyon“ ve fyzice skutečně existuje – sice žádné tachyony neznáme, nemáme ani žádné konkrétní důvody se domnívat, že existují, ale jejich existence zcela vyloučená není. Na druhou stranu ani kdyby existovaly, tak se tím problém nemožnosti překonání světelné rychlosti (který je v textu otázky popsán) nijak neřeší – představa převádění jedné formy hmoty na druhou za účelem transportu je totiž skutečně výlučně v režii vědeckofantastické literatury, v reálném světě neznáme žádný praktický mechanismus, jak něco takového dělat. Tedy v principu třeba světlo z hmoty vyrábět umíme – například Slunce to dělá již miliardy let při termojaderných reakcích a my vlastně, ve velmi malém měřítku, i při každém zapálení ohně  – ale každý takový proces je v zásadě destruktivní, vzniklé světlo nenese žádnou informaci o tom, z jaké konkrétní hmoty vzniklo. V principu i víme, jak z něj znovu vyrobit hmotu (i když to neděláme, protože praktická realizace je neobyčejně složitá a za dnešního stavu technologie bychom dokázali vyrábět maximálně jednotlivé částice hmoty) – ale to je pouze velmi nepraktická metoda, jak vyrobit nějaký objekt zcela znova, nikoliv jej transportovat. A to mluvíme jen o něčem tak běžném, jako je světlo. Tachyony, i kdyby je naše fyzika připouštěla, by stále mohlo být zcela nemožné jakkoliv generovat.

Abychom ale pochopili, proč tomu tak je, musíme se vrátit k otázce, co by „tachyon“ ve fyzice mohl být. Jedná se o otázku vlastně velmi pěknou, protože umožňuje ilustrovat, jak krásná někdy teoretická fyzika umí být. Speciální teorie relativity vychází z postulátu, že ať už bude rychlost světla vůči sobě ve vakuu měřit kdokoliv, vyjde mu stejná hodnota nezávisle na tom, jak rychle a jakým směrem se pohybuje. Takový postulát je na první pohled neintuitivní – když měřím rychlost běžných těles vůči mě, mohu výsledek dost zásadně ovlivnit tím, zda se je snažím dohnat, či od nich utíkám.  Světlo je ale podle tohoto postulátu něčím, co nelze dohnat, ani tomu nelze utéct – a takovéto chování u něj skutečně pozorujeme. Pozoruhodnou vlastností tohoto zdánlivě jednoduchého postulátu je, že k jeho splnění je třeba předpokládat, že pokud se dva pozorovatelé vůči sobě pohybují, vnímají trochu jinak čas, délku i koncept „současnosti“ jevů – a čím víc se jejich vzájemná rychlost blíží k rychlosti světla, tím větší tyto rozdíly jsou. Snad ještě pozoruhodnější – ale již podstatně obtížněji vysvětlitelná – je skutečnost, že tyto změny ve vnímání času a prostoru v závislosti na pohybu vytvářejí zajímavé a unikátní matematické struktury, tzv. Lorentzovu a Poincarého grupu. 

Zde je krásně vidět, jak funguje teoretická fyzika ve své nejčistší formě – na základě fyzikálního předpokladu byla odvozena matematická struktura. K té se nyní již mohou vyjadřovat matematici, aniž by potřebovali jakékoliv fyzikální měření – a pokud to udělají, tak nám řeknou, že tato struktura má jenom tři základní druhy řešení pro objekt, který bychom mohli interpretovat jako reálný objekt [1]. Jedno z nich je běžný hmotný objekt – jako je autor textu, čtenář či třeba jen elektron. Ten má svou neměnnou klidovou hmotnost (kterou reprezentuje kladné reálné číslo), může se pohybovat vůči jiným takovým objektům rychlostí mezi 0 a rychlostí světla ve vakuu. Pokud budeme hmotný objekt urychlovat, pak, jak se budeme blížit rychlosti světla, jeho kinetická energie, zdánlivá hmotnost, a tudíž i energie nutná k dalšímu urychlování, poroste nade všechny meze. Druhým řešením je nehmotný objekt. V praxi je nejznámějším zástupcem této skupiny foton – částice světla – ale teorie relativity sama o sobě neklade meze existenci jiných takových objektů. Nehmotný objekt se vůči všem hmotným objektům pohybuje vždy a pouze rychlostí světla. Z jeho pohledu také neplyne čas, takže jeho život vlastně není příliš zajímavý. No a třetí třída řešení je objekt, který se chová vlastně velmi podobně jako řešení prvního typu, ale je „na druhé straně“ světelné bariéry: jeho klidová hmotnost je imaginární číslo a jeho rychlost vůči běžným hmotným objektům je vždy vyšší než rychlost světla. Pokud takovému objektu budeme dodávat energii, bude zpomalovat. Jeho kinetická energie, zdánlivá imaginární hmotnost i energie nutná k dalšímu zpomalování tak poroste nade všechny meze, jak se jeho rychlost bude blížit k rychlosti světla shora.  Elementární částice v této třídě řešení by se nazývala – a to už asi uhodnete – tachyon.

Hned je vidět, proč je tachyon atraktivní – jeho rychlost je vždy nadsvětelná. Ale také proč jeho výroba může být problém: oblast rychlostí, v níž může existovat, se vůbec nepřekrývá s rychlostmi, v nichž existuje běžná hmota, ba ani světlo. Ještě jednou je třeba zopakovat, že jde o čistě matematický koncept – a že naše pozorování zatím nijak nenaznačují přítomnost tachyonů ve vesmíru. Ale i kdyby nakrásně nějaké existovaly, jejich využití pro cokoliv se zdá minimálně problematickým.

Na závěr dodejme, že pokud se částice pohybuje vůči jednomu pozorovateli rychleji než světlo, pak podle teorie relativity existuje pozorovatel, vůči kterému se tato částice pohybuje zpátky v čase [2]. To ale znamená, že existence tachyonů – či obecně jakýchkoliv částic pohybujících se rychleji než světlo – by mohla narušit posloupnost příčin a následků ve vesmíru, tzv. kauzalitu, jak dobře známe z paradoxů ve filmech s cestováním časem. Zda je kauzalita pro fungování vesmíru nezbytná není zcela jasné, ale většina našich dnešních fyzikálních teorií s jejím zachováním počítá a nikdy jsme nepozorovali její porušení. Existují možnosti, jak kauzalitu v přítomnosti tachyonů zachovat, například pokud připustíme, že příčina a následek jsou relativní vůči pozorovateli [3]. Další možností je zabránit přenosu informací pomocí tachyonů, například skrze kvantovou teorii [4]. Využití tachyonů pro nadsvětelnou komunikaci je potom ale nemožné.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Honza

Zdroje:

[1] Formánek, J.: Úvod do relativistické kvantové mechaniky a kvantové teorie pole 1, Praha 2004, ISBN 80246-0060-9 

[2] Richard Baker: Sharp Blue Relativity, FTL and causality, 2003, in http://www.theculture.org/rich/sharpblue/archives/000089.html 

[3] Erasmo Recami: How to Recover Causality in Special Relativity for Tachyons, Foundations of Physics volume 8, 329–340, 1978. https://link.springer.com/article/10.1007/BF00708566 

[4] John Baez, Scott Chase: Do Tachyons Exist?, 2015, in https://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/tachyons.html