Gli inafferrabili tachioni

Il tachione (dal greco ταχύς, tachýs, "veloce") è un'ipotetica particella avente massa immaginaria e velocità superiore a quella della luce.
La prima descrizione teorico-concettuale è attribuita ad Arnold Sommerfeld, mentre tentativi di interpretazione all'interno della relatività ristretta furono compiuti da George Sudarshan nel 1962. Il termine "tachione" venne usato per la prima volta da Gerald Feinberg nel 1964. Nella ricerca fisica moderna il concetto compare in vari contesti, in particolare nella teoria delle stringhe.
L'ipotetica esistenza del tachione è compatibile con la teoria della relatività speciale, secondo la quale non potrebbe mai rallentare alla velocità della luce o inferiore ad essa.
Se la sua energia e quantità di moto fossero reali, la massa a riposo sarebbe immaginaria, oppure se la massa a riposo e la quantità di moto fossero reali, l'energia sarebbe immaginaria. È difficile interpretare il significato fisico di una massa di valore complesso. Un effetto curioso è che, a differenza delle particelle ordinarie, la velocità di un tachione aumenta al diminuire della sua energia. Questa è una conseguenza della relatività ristretta in quanto il tachione, in teoria, ha una massa che elevata al quadrato è negativa.
Se i tachioni sono particelle più veloci della luce, le particelle comuni  vengono chiamate "bradioni" o "tardioni". Allo stesso modo in cui per i bradioni è impossibile superare la barriera della velocità della luce, lo stesso vale per i tachioni, che non possono avere velocità inferiori a quella della luce.
L'esistenza di simili particelle pone degli interessanti problemi sulla fisica moderna. Ad esempio, prendiamo le formule della radiazione elettromagnetica e supponiamo che un tachione abbia una carica elettrica (non possiamo dire a priori se un tachione sia neutro o dotato di carica); allora un tachione in accelerazione dovrebbe generare onde elettromagnetiche, come qualsiasi particella dotata di carica. Però, come abbiamo visto, diminuendo l'energia di un tachione la velocità aumenta, e quindi in una situazione del genere una piccola accelerazione ne produrrebbe una maggiore, portando ad un effetto a catena simile alla catastrofe ultravioletta.
Nel 1973 Philip Crough e Roger Clay hanno annunciato una particella più veloce della luce apparentemente dovuta ad un'ondata di raggi cosmici (l'osservazione non è stata né confermata né ripetuta).
La proprietà della causalità, un principio fondamentale della fisica delle particelle, pone un problema per l'esistenza fisica dei tachioni. Se un tachione esistesse e potesse interagire con la materia ordinaria, la causalità potrebbe essere violata: a grandi linee, non ci sarebbe più modo di distinguere la differenza tra il futuro e il passato lungo la linea degli eventi di una data quantità di materia ordinaria. Una particella potrebbe mandare energia o informazione nel suo passato, formando un cosiddetto loop causale. Questo porterebbe a paradossi logici come il paradosso del nonno, a meno che la teoria non sia impostata in modo da prevenirli. Attualmente una simile soluzione non è conosciuta. Come minimo il principio di relatività speciale dovrebbe essere abbandonato. Secondo la teoria della relatività generale, invece, è possibile costruire modelli dello spaziotempo in cui alcune particelle viaggino più veloci della luce relativamente ad un osservatore distante. Comunque, questi non sono tachioni come i precedenti, in quanto localmente non superano la velocità della luce.
Un'altra possibilità per risolvere i paradossi causali, proposta a suo tempo da David Bohm, consiste nell'esigere l'esistenza di un sistema di riferimento privilegiato nel quale non si osservano mai segnali che si muovono indietro nel suo tempo relativo (a questo punto una specie di tempo universale in senso lato). In tal modo è impossibile creare loop temporali, in qualsiasi sistema di riferimento. L'apparente moto indietro nel tempo di alcuni segnali diverrebbe in tal caso soltanto una specie di effetto ottico. Nel sistema di riferimento privilegiato, non c'è alcun moto indietro nel tempo.
Nella teoria quantistica dei campi un tachione è un quanto di un campo, solitamente un campo scalare, la cui massa al quadrato è negativa (è espressa cioè da un numero immaginario). L'esistenza di una particella simile comporta l'instabilità dello spazio-tempo vuoto, poiché l'energia del vuoto presenta un massimo piuttosto che un minimo (per lo meno rispetto alla direzione del tachione). Un impulso molto piccolo (anche una normale fluttuazione quantistica) condurrà il campo a crollare, con un accrescimento esponenziale delle altezze, inducendo la condensazione tachionica. Il meccanismo di Higgs è un esempio elementare, ma importante, per capire che una volta che il campo tachionico ha raggiunto il potenziale minimo, cioè ha subito il processo di condensazione, i suoi quanti non sono più tachioni ma bosoni di Higgs, che hanno massa positiva.
I tachioni compaiono in molte versioni della teoria delle stringhe. In generale la teoria delle stringhe dice che ciò che vediamo come "particelle" (elettroni, fotoni, gravitoni e così via) sono in realtà diversi modi di vibrare delle stesse strutture fondamentali, le stringhe. La massa di una particella può essere dedotta dalle vibrazioni della stringa: come dire che la massa dipende dalla "nota" suonata dalla stringa. I tachioni appaiono spesso nello spettro dei possibili stati delle stringhe, nel senso che alcuni stati hanno massa immaginaria; un esempio è lo stato fondamentale della stringa bosonica.
Il tachione viene spesso citato nella letteratura fantascientifica, sebbene di solito con proprietà non interamente corrispondenti a quelle scientifiche.
A causa della loro natura misteriosa - in particolare della caratteristica di muoversi a velocità maggiore di quella della luce - i tachioni hanno spesso stimolato l'immaginazione degli autori di fantascienza. In numerose storie di fantascienza i tachioni sono utilizzati come mezzo per effettuare comunicazioni più veloci della luce, con o senza riferimenti a risultati di casualità; alcune volte sono parte di qualche tecnologia per il viaggio nel tempo. Citazioni dei tachioni si trovano infatti in molte serie fantascientifiche come Star Trek, nei fumetti o nei romanzi, come in Timescape, Le porte di Anubis o L'orlo della Fondazione di I. Asimov.

Rappresentazione grafica di un tachione.
Dal momento che un tachione si muove più rapidamente della luce, non possiamo vederlo avvicinarsi. Dopo che ci ha superato, dovremmo vederne comparire due immagini, che si separano e allontanano in direzioni opposte. La linea nera è il fronte dell'onda d'urto della radiazione di Cerenkov, mostrata solo in un istante. Questo effetto di doppia immagine è più evidente per un osservatore che si trovi lungo il percorso di un oggetto più veloce della luce. L'immagine di destra è formata dalla luce spostata per effetto Doppler verso il blu che giunge all'osservatore posto al vertice dell'onda radiazione di Cerenkov; l'immagine di sinistra è formata dalla luce spostata per effetto Doppler verso il rosso che lascia l'oggetto dopo che questi ha superato l'osservatore.