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快子

Wikipedia · 2025-11-04 维基百科 👁 1 阅读

，只在一瞬间出現。這種雙重圖像效果最為顯著的情况是当觀察員坐落在超光速對象（在這個例子中为一个球，顯示為灰色）的轨迹上时。右侧藍形狀是藍移多普勒光到達觀察者产生的（觀察者位於黑色切倫科夫線中心处），这光线在球体到达观察者之后才能被观察到。左邊的紅色形象由紅移光形成，这些光线是球体离开后向观察者发出的。因為對象在光到達之前到达，观察者直到球体经过才能够观察到，此后，在观察者看来，球体的影像分解成为两个——到达的影像（左侧）和离开的影像（右侧）。]]

快子（）也称为-{zh-tw:快子;zh-cn:迅子}-、速子，是一种理论上预测的超光速次原子粒子。这种由相对论衍生出的假想粒子，总是以超过光速的速度在运动。快子与一般物质（相应称为慢子（tardyon））的相互作用可能不明显，所以即使其存在也不一定能侦测得到。在狭义相对论中，快子具有类空的四维动量和虚的原时，并被限定在能量-动量图中的类空区间部分。因此，它无法降低速度至亚光速状态。

历史
德国物理学家阿诺·索末菲首先提出“快子”的概念，印度裔美籍物理学家、比拉纽克（）及傑拉爾德·范伯格(Tachyon這個詞彙的創造者)等一批學者大幅度地強化了理論架構的研究深度。

如果快子是傳統上可以進入局部參考系當中的粒子，並且可以用超過光速來携帶信息，這將會導致狹義相對論的因果律被破壞。但是，在量子場論當中，快子的存在仅仅標誌著系統的不穩定，而非實際存在超光速粒子；而這種不穩定的性質，由快子凝聚或是快子場論来描述。快子場論在許多的理論性論文當中出現，例如二十六維的玻色弦理論。目前對這種粒子的概念理解为：快子很難穩定到可以實際存在的程度。根據此理論，使用快子進行超光速信息傳送違反因果律，因此不可能实现。

傳統的慢於光速的粒子，在討論快子的文章當中，經常被稱為慢子（bradyons或tardyons）。

儘管理論的爭議強烈質疑快子的存在，對快子假說的實驗依然進行，不過，目前為止，沒有任何有力實驗數據證實快子存在。

特徵
從狹義相對論動力學的角度來看，快子是一個具有類空四維動量的粒子，如果這種粒子真實存在將會對現代物理提出很多奇妙的問題。

質量
有兩種類同的方法來處理其動能：

  • 使用處理正常慢子（bradyons）相同的方程來處理快子。特別是有關於其能量-動量關係式：

::E^2 = p^2c^2 + m^2c^4 \;
:此處p是慢速粒子的相對論性動量，而m是其靜止質量，整個方程是粒子的總能量：
::E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}
:此方程則是表達包含了靜止質量的粒子的總能量（不論是慢子或是快子）及其動能。
:當v大於c的時候，因為平方根裡面的值是負數，所以分母會有虛數。由於總能量必須是实數，因此分子也必須是虛數（亦即靜止質量m必須是虛數）。
:在量子場論當中，虛質量將會導致快子凝聚。

  • 對質量的域做簡單的替代會導致對快子具有實際的質量。定義m = iz（i^2 = -1），我們會得到愛因斯坦的能量-動量關係式：

::E^2 + z^2c^4 = p^2c^2 \;
:用這個方式能量公式將會變成：
::E = \frac{zc^2}{\sqrt{\frac{v^2}{c^2} -1}}
:而我們將可以避免任何的虛質量產生，透過這種方式避開問題，恰好解釋了複數值質量在理論物理上的含義。

兩種數學方法在理論物理上具有同等的結果。

速度
快子一個很有意思的效應，與正常粒子不同之處，快子速度增加，其能量減少，零能量時速度無限。（對正常的慢子而言，能量增加速度則增加）。因此，一如慢子被限制在光速屏蔽內一樣，快子亦不能慢到光速，因為要加入幾乎無限的能量才能使快子慢到光速。

正如等人所述，狹義相對論暗示快子可以用於聯繫過去的時間（見快子電話）。

契伦可夫輻射
如果電磁輻射機制有效，并假設快子具有電荷，那麼，一如一般低於光速的帶電荷粒子於介質上運動的效應一樣，帶電荷的快子將會透過契忍可夫輻射的形式失去能量。不過，理論上，快子并沒有一定需要帶有電荷。帶電快子在真空中等加速運動，其時空世界線則形成雙曲線。不過，就如我們所見的，降低能量會加快速度，因此，單一雙曲線會形成兩個帶相反電荷的快子，具備相反的動量，被加速到無限速度時，會在同一個地點碰撞並且同步被湮滅。(無限速度時兩個快子不具能量，因此湮滅過程中守恆律沒有被違反。湮滅的時間是具有參考系相依性的。)就算無電荷的快子也會透過重力契忍可夫輻射而損失質量，因為快子有質量，因而導致快子被加速，最後必然性地被湮滅。

量子場論
對快子的量子化表明，快子必須是符合費米·狄拉克統計的自旋狀態粒子。亦即，快子是張量費米子，這種組合對一般正常粒子而言，是不會發生的這可以用相對論的同時性來理解，在某些狀況底下，慣性參考系會不管兩個在不同地點發生的事件是否是同時，當時空交叉時，因為兩個事件是在類空區作用，因而沒有未來或過去的差別。

如果其中一個事件表示為從某地發送信號，另一個事件是從另外一個地點接收信號，如果信號傳送的速度都是以光速或是慢於光速進行，同時性的數學將會保證發送信號的事件永遠在接收信號的事件之前。進行超光速信息傳播既然是不可能的，從根本上就避免回到過去的信息傳播佯謬。

在廣義相對論當中，對遠處的觀察者，建立粒子可以超過光速的時空是可行的。其中一個範例是阿爾庫維耶雷度量，另一個是虫洞及遍歷虫洞。不過，這些都不是快子運動的內涵，因為這些本地的參考系都沒有超過光速。

快子凝聚
在量子場論當中，快子是一個具有虚数质量的量子場，通常是個張量場論，並且用於解釋自發對稱性破缺機制：這種場的存在暗示著場真空能的不穩定。該場域處於局部潛在能量最大值，有如一顆球擺在山頂尖上，任何的輕微搖晃（量子微擾）都會導致這個場以指數成長的振幅向下震盪：這將會導致快子凝聚。要了解到一旦快子場域達到其最小平衡能量，其量子態則不再是個快子，而是個正常的正數質量粒子，例如希格氏玻色子。

技術上而言，質量平方是有效勢能的二次微分，而一次微分的值是零。所以，快子場的二次微分是負值，含意是有效勢能處於一個區域最大值，而非區域最小值。因此，這種狀態是不穩定的，而這樣的場會向下滾動到另外一個區域最小值，而其量子態將會有一個非負值的質量，也就因而變成不是一個快子。這樣的系統將會衰減成為閉弦狀態或是穩定的D-膜。如果，快子處於閉弦震動模式，這表示時空結構本身處於不穩定狀態，一般而言，不確定它會向哪一個方向轉變，中子星超弦物理學認為閉弦快子衰變會產生導致中子星星爆的成因，也就是產生微型虫洞、Q-Ball、B-Ball及嬰兒黑洞。不過，如果閉弦快子處於奇點周圍，它將會把奇點給消解掉。

弦理論當中的快子凝聚作用，可以使得高維時空降低為低維時空，從而使得弦理論對許多現有的物理理論可以進行預測。

娛樂：科幻作品當中的快子
快子在許多科幻作品當中出現。它被科幻作品的作者用於做為一個建立超光速通訊的備用機能，不論是否其違反因果律。快子這個詞彙變成科幻泡沫劇的一個成分，不論實際內容是否大部分描寫與科技發展有關的主題。

在近期（2010年）的美國電視劇當中，《2分17秒;}-》的主題就是因為高能加速器對快子的實驗，無預警的快子閉弦震動波的影響，導致全球所有的人都受到影響（blackout），全球的人都停止活動兩分十七秒，活動停頓導致災難，因而使得數千萬人死亡，並且全球的人看到未來六個月後的事件發生影像（flash forward）。該科幻劇所使用的快子弦理論原理即為「快子電話」及「快子閉弦凝聚」。

相關條目

  • D-膜
  • 無質量粒子
  • 龐加萊群（Poincaré group）
  • 超越性慢子（Superbradyon），另一類假想的超光速粒子
  • 快子凝聚
  • BPST瞬子
  • 快子時空電話（Tachyon anti-telephone）

對照與參考
外部連結

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