Гравитон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Гравитон
Символ G
Состав Элементарная частица
Семья Бозон
Группа Калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях Гравитационное[1]
Античастица Сам себе(G)
Статус Гипотетическая
Теоретически обоснована 1930-е годы[2]
часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина[3]
Масса 0 (теория), < 1,1 × 10−29 эВ/c2[4] (экспериментальное верхнее ограничение)
Каналы распада Стабилен
Квантовые числа
Электрический заряд
Спин ħ

Гравито́н — гипотетическая безмассовая элементарная частица — переносчик гравитационного взаимодействия без электрического и других зарядов (однако сами также гравитируют). Должен обладать спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации.

Термин «гравитон» был предложен в 1930-х годах, часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина[5][6].

Гипотеза о существовании гравитонов появилась благодаря успеху квантовой теории поля (особенно Стандартной модели) в моделировании поведения остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии, глюоны в сильном взаимодействии, W± и Z-бозоны в слабом взаимодействии. Следуя этой аналогии — за гравитационное взаимодействие также может отвечать некая элементарная частица.

Возможно также, что гравитоны являются квазичастицами, удобными для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени, существенно больших планковской длины и планковского времени, но непригодными для описания сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским[7][8]

В различных теориях[править | править вики-текст]

Предполагаемый спин гравитона равен по той причине, что плоская гравитационная волна носит квадрупольный характер, переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению распространения. Также это следует из числа независимых компонент волновых функций гравитационного поля, которые являются гравитационными потенциалами. Из десяти компонент тензора гравитационного потенциала вследствие равенства нулю следа и четырёх дополнительных условий калибровки (аналогичных калибровке Лоренца в электродинамике) остаётся независимых компонент. Вследствие формулы ,[9] связывающей значение спина с числом компонент волновых функций поля , получаем значение спина гравитона [10].

Мезон Мезон Барион Нуклон Кварк Лептон Электрон Адрон Атом Молекула Фотон W- и Z-бозоны Глюон Гравитон Электромагнитное взаимодействие Слабое взаимодействие Сильное взаимодействие Гравитация Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая гравитация Электрослабое взаимодействие Теория великого объединения Теория всего Элементарная частица Вещество Бозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны. (Изображение интерактивно.)

С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности сил гравитации и инерции является следствием требования Лоренц-инвариантности для гравитонов (безмассовых частиц со спином ), так как требование Лоренц-инвариантности приводит к калибровочной инвариантности теории, а принцип общей ковариантности, являющийся обобщением принципа калибровочной инвариантности, есть математическое выражение принципа эквивалентности[11][12][13].

Попытки расширить Стандартную модель гравитонами сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий (равных или превышающих планковскую энергию) из-за расходимостей квантовых эффектов (гравитация не ренормализуется). Другой проблемой является то, что при математическом описании полей, описывающих элементарные частицы с целым спином, положительно определённую плотность энергии можно ввести только для частиц со спином и , а гравитон имеет спин [14].

Решение этих вопросов было мотивом построения нескольких предложенных теорий квантовой гравитации (в частности, одной из попыток является теория струн). Несмотря на отсутствие в настоящее время полноценной теории квантовой гравитации, возможно квантование слабых возмущений заданного гравитационного поля в первом порядке по теории возмущений. В рамках такой линеаризованной теории элементарным возбуждением и является гравитон[15].

В теориях супергравитации также вводится гравитино (спин — 3/2) — суперпартнёр гравитона.

В струнной теории гравитоны, также как и другие частицы — это состояния струн, а не точечные частицы, и в этом случае бесконечности не появляются. В то же время при низких энергиях эти возбуждения можно рассматривать как точечные частицы. То есть гравитон, как и прочие элементарные частицы — это некоторое приближение к реальности, которое можно использовать в области низких энергий.

Согласно теории петлевой квантовой гравитации, гравитоны представляют собой кванты смещений пространства-времени[16].

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации. В некоторых из них гравитон обладает массой[17].

Считается, что плотность энергии реликтовых гравитонов, образовавшихся в первые секунд после Большого Взрыва, в настоящее время составляет примерно от плотности энергии реликтовых фотонов.[18]

По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распаде[19], рассеянии элементарных частиц[20], аннигиляции электронно-позитронных пар[21], при эффекте Комптона[22], при столкновениях адронов высоких энергий[23].

Смещение перигелия Меркурия, с точки зрения представления о гравитоне, объясняется вкладом в гравитационное взаимодействие Меркурия и Солнца процессов, описываемых на языке диаграмм Фейнмана диаграммами с взаимодействием виртуальных гравитонов между собой[24]

Экспериментальные и наблюдательные исследования[править | править вики-текст]

Из-за чрезвычайной слабости гравитационных взаимодействий экспериментальное подтверждение существования гравитона (то есть обнаружение отдельных свободно распространяющихся гравитонов) согласно предсказывающим существование гравитонов теориям (теория струн, квантованная линеаризованная общая теория относительности и др.) в настоящее время не представляется возможным, поскольку образование реальных гравитонов станет заметным лишь при энергиях взаимодействия в системе центра масс сталкивающихся частиц порядка планковской энергии[25][26].

Тем не менее, если теории девятимерного пространства со скрытыми размерностями окажутся правильными, то ожидается, что гравитоны можно будет обнаружить по энергии, которую они уносят после образования в процессах столкновения элементарных частиц при энергиях 100 Тэв[27].

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и Virgo было объявлено о первом прямом наблюдении гравитационных волн[28]. По данным этой регистрации гравитационных волн, их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном (верхнее ограничение на массу гравитона mg было оценено как 1,2 × 10−22 эВ/c2, комптоновская длина волны гравитона λg = h/cmg не ниже 1013 км)[29][30][31], а скорость гравитационных волн равна скорости света в пределах точности измерений[32].

Существует также более жёсткая, но и более модельно зависимая оценка верхнего предела на массу гравитона mg < 2 × 10−62 г (или 1,1 × 10−29 эВ/c2)[4]. Она вытекает из наблюдаемой протяжённости гравитационных полей галактических скоплений в пространстве и основана на том, что при наличии массы у бозона-переносчика поля потенциал взаимодействия убывает с расстоянием не по закону r−1 (как в случае безмассовых полей), а значительно быстрее, пропорционально r−1 exp(−rmgc/h) (потенциал Юкавы).

Гравитон в массовой культуре[править | править вики-текст]

Тема управления гравитацией часто используется в качестве фантастического допущения в научной фантастике (в частности, как технология, делающая доступными космические путешествия), иногда при этом упоминаются и гравитоны[33]. Так в космической опере «Гриада» А. Колпакова, написанной в начале 1960 годов звездолёт «Урания» в снабжён гравитонным двигателем[34]

В культовом фантастическом телесериале «Звёздный путь» зведолёты снабжены технологиями на основе гравитонов[35], такими, как искусственная гравитация, навигационный дефлектор, низкоуровневые силовые поля и т. д. При этом, как отметил Лоуренс Краусс, при описании таких технологий, как «эмиссия когерентных гравитонов», применяемая для искривления пространства, авторы по крайней мере используют адекватную с точки зрения современной физики терминологию[36].

В качестве элемента антуража гравитоны встречаются и в других фантастических произведениях, к примеру, в фильме «После нашей эры» во время полёта на Землю в корпусе звездолёта возникает вибрация гравитонов, что вызывает расширение масс, и, в свою очередь, притягивает астероидный поток[37]. Название «Гравитон» носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год[38].

См. также[править | править вики-текст]

Источники[править | править вики-текст]

  1. Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции
  2. Rovelli, C. (2001), "Notes for a brief history of quantum gravity", arΧiv:gr-qc/0006061 [gr-qc] 
  3. Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. (1934). «Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии». Под знаменем марксизма 6: 147—157.  (рус.)
  4. 1 2 Goldhaber A. S., Nieto M. M. Mass of the graviton // Physical Review D. — 1974. — Vol. 9. — P. 1119—1121. — ISSN 0556-2821. — DOI:10.1103/PhysRevD.9.1119. исправить
  5. Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии. «Под знаменем марксизма», 6 (1934) 147—157.
  6. Горелик Г. Е. Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию нерешенной проблемы (рус.) // Успехи физических наук. — 2005. — Т. 175, вып. 10. — С. 1093—1108. — DOI:10.3367/UFNr.0175.200510h.1093.
  7. Вопрос о сопоставлении корпускул в общем случае нелинейного, не слабого поля пока что недостаточно ясен. Действительно, до сих пор кванты поля (фотоны, гравитоны и т.д.) возникают всегда в линейном приближении, когда каждой парциальной элементарной волне сопоставлялась частица. Таким образом, по-видимому, в области нелинейной теории обычное понимание частиц в какой-то мере теряет смысл и должно быть соответственным образом пересмотрено.
    Соколов А.,Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 656.
  8. Что вообще следует понимать под частицей в присутствии неинвариантного физического вакуума (или внешнего поля)? Окончательный ответ на него пока не дан.
    Иваненко Д. Д., Сарданишвили Г. А. Гравитация. — М.: ЛКИ, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2 — С. 163.
  9. Паули В. Релятивистская теория элементарных частиц. — М.: ИЛ, 1947. — С. 72
  10. Соколов А., Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 662.
  11. Вайнберг, 1975, с. 312.
  12. Вайнберг, 2001, с. 337.
  13. S. Weinberg Feynman rules for any spin, I, Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman rules for any spin, II, Massless particles, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in S-matrix theory: derivation of charge conservation and equality of gravitational and inertial mass, Ib, 135, B1049-1056 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in perturbation theory: derivation of Maxwell’s and Einstein’s equations, Ib, 138, B988-1002 (1965)
  14. Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1969. — С. 174.
  15. DeWitt B. Quantum theory of gravity I // Physical Review 160, 1113—1148 (1967).
    DeWitt B. Quantum theory of gravity II: the manifestly covariant theory // Physical Review 162, 1195—1239 (1967).
    DeWitt B. Quantum theory of gravity III: application of the covariant theory // Physical Review 162, 1239—1256 (1967).
    Систематическое изложение: Девитт Б. С. Динамическая теория групп и полей: Пер. с англ. / Под ред. Г. А. Вилковыского. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987. — 288 с.
    репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-ПРЕСС, 2000. ISBN 5-11-480064-7.
  16. О. О. Фейгин Столетний юбилей ОТО // Химия и жизнь. — 2015. — № 10 - Элементы.ру
  17. Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон», УФН, 178, с. 813, (2008)
  18. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Рождение гравитонов на ранних стадиях расширения горячей модели // Релятивистская астрофизика. — М.: Наука, 1967. — С. 497—500.
  19. Фейнман, 2000, с. 276.
  20. Фейнман, 2000, с. 278.
  21. Yu. S. Vladimirov Annihilation of an Electron-Positron Pair into Two Gravitons // JETP. — 1963. — Том 16, Вып. 1. — C. 65 — URL: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf
  22. N.A. Voronov Gravitational Compton effect and photoproduction of gravitons by electrons // JETP. — 1973. — Том 37, Вып. 6. — C. 953 — URL: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  23. I. Yu. Kobzarev, P.I. Peshkov Graviton emission in collisions of high-energy hadrons // JETP. — 1975. — Том 40, Вып. 2. — C. 213 — URL: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  24. Лев Окунь Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи // Доклад на Президиуме РАН 27 октября 2009 г. —Элементы.ру
  25. Бурундуков А. С. Взаимодействие гравитонов высоких энергий с фермионами. — Владивосток, 1993. — ISBN 5744205080.
  26. Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — 707 с. — 100 000 экз.
  27. Алексей Левин Пушка гравитонного калибра // Популярная механика. — 2014. — № 5 - Элементы.ру
  28. Игорь Иванов. Гравитационные волны — открыты! (рус.). Элементы Большой Науки (11.02.2016). Проверено 14 февраля 2016.
  29. Abbott B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger». Physical Review Letters 116 (6). DOI:10.1103/PhysRevLett.116.061102.
  30. Физики поймали гравитационные волны
  31. Сергей Попов: «Зачем нужна астрономия» (лекция 14 февраля 2016 года)
  32. Ученые зафиксировали предсказанные Эйнштейном гравитационные волны // meduza.io
  33. Brian Stableford. Gravity // Science Fact and Science Fiction: An Encyclopedia. — Routledge, 2006. — С. 220-222. — 730 с. — ISBN 9780415974608.
  34. Евгений Харитонов. Гриада — Александр Колпаков — Рецензия на книгу. recensent.ru. Проверено 3 марта 2016.
  35. Okuda, 1999, Graviton, p. 177.
  36. Krauss, 2007, Ch. 4. Data Ends the Game, p. 72.
  37. After Earth — статья из The Encyclopedia of Science Fiction
  38. Евгений Харитонов. Гравитон. Лаборатория Фантастики. Проверено 5 апреля 2016.

Литература[править | править вики-текст]