Гравитон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гравитон (G)
Состав Элементарная частица
Семья Бозон
Группа Калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях Гравитационное[1]
Античастица Сам себе (G), по другим данным — антигравитон (со спином 1)[2]
Статус Гипотетическая
Масса 0 (теория), < 1,1 × 10−29 эВ/c2[3] (экспериментальное верхнее ограничение)
Каналы распада Стабилен
Квантовые числа
Электрический заряд 0
Барионное число 0
Лептонное число 0
Спин 2 ħ
Чётность +1
Зарядовая чётность +1
Теоретически обоснована 1930-е годы[4]
часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина[5]

Гравито́н — гипотетическая безмассовая элементарная частица — переносчик гравитационного взаимодействия и квант гравитационного поля без электрического и других зарядов (однако обладают энергией и поэтому участвуют в гравитационном взаимодействии). Должен обладать спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации. Предположительно, всегда движется со скоростью света.

Термин «гравитон» был предложен в 1930-х годах, часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина[6][7].

Гипотеза о существовании гравитонов появилась как следствие принципа корпускулярно-волнового дуализма для описания гравитационного поля и успехов 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[8].

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[9][10]

В различных теориях[править | править код]

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 ,[11] связывающей значение спина с числом компонент волновых функций поля , получаем значение спина гравитона [12].

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

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[13][14][15].

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 [16].

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[17].

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[18].

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации. В некоторых из них гравитон обладает массой[19].

Считается, что плотность энергии реликтовых гравитонов, образовавшихся в первые секунд после Большого Взрыва, в настоящее время составляет примерно от плотности энергии реликтовых фотонов.[20]

По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распаде[21], рассеянии элементарных частиц[22], аннигиляции электронно-позитронных пар[23], при эффекте Комптона[24], при столкновениях адронов высоких энергий[25].

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[26]

Антигравитон имеет спин 1[27].

Экспериментальные и наблюдательные исследования[править | править код]

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[28][29][8].

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[30].

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и Virgo было объявлено о первом прямом наблюдении гравитационных волн[31]. 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)[32][33][34], а скорость гравитационных волн равна скорости света в пределах точности измерений[35].

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)[3]. 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).

Из наблюдений GW170817 получена оценка нижней границы времени жизни гравитона — лет.[36]

Гравитон в массовой культуре[править | править код]

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[37]. Так в космической опере «Гриада» А. Колпакова, написанной в начале 1960 годов, звездолёт «Урания» снабжён гравитонным двигателем[38]

В культовом фантастическом телесериале «Звёздный путь» зведолёты снабжены технологиями на основе гравитонов[39], 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[40].

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[41].

Название «Гравитон» носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год[42].

См. также[править | править код]

Источники[править | править код]

  1. Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции
  2. Мостепаненко В., д.ф.-м.н. Эффект Казимира // Наука и жизнь. — 1989. — № 12. — С. 144-145.
  3. 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]
  4. Rovelli, C. (2001), "Notes for a brief history of quantum gravity", arΧiv:gr-qc/0006061 [gr-qc] 
  5. Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии (неопр.) // Под знаменем марксизма. — 1934. — Т. 6. — С. 147—157. (рус.)
  6. Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии. «Под знаменем марксизма», 6 (1934) 147—157.
  7. Горелик Г. Е. Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию нерешенной проблемы (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2005. — Т. 175, вып. 10. — С. 1093—1108. — DOI:10.3367/UFNr.0175.200510h.1093.
  8. 1 2 ПостНаука 5 июня 2015 г. Сергей Блинников Что такое гравитон?
  9. 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.
  10. 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.
  11. Паули В. Релятивистская теория элементарных частиц. — М.: ИЛ, 1947. — С. 72
  12. Соколов А., Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 662.
  13. Вайнберг, 1975, с. 312.
  14. Вайнберг, 2001, с. 337.
  15. 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)
  16. Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1969. — С. 174.
  17. 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.
  18. О. О. Фейгин Столетний юбилей ОТО // Химия и жизнь. — 2015. — № 10 — Элементы.ру
  19. Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон», УФН, 178, с. 813, (2008)
  20. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Рождение гравитонов на ранних стадиях расширения горячей модели // Релятивистская астрофизика. — М.: Наука, 1967. — С. 497—500.
  21. Фейнман, 2000, с. 276.
  22. Фейнман, 2000, с. 278.
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. Лев Окунь Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи // Доклад на Президиуме РАН 27 октября 2009 г. —Элементы.ру
  27. Мостепаненко В., д.ф.-м.н. Эффект Казимира // Наука и жизнь. — 1989. — № 12. — С. 144-145.
  28. Бурундуков А. С. Взаимодействие гравитонов высоких энергий с фермионами. — Владивосток, 1993. — ISBN 5744205080.
  29. 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.
  30. Алексей Левин Пушка гравитонного калибра // Популярная механика. — 2014. — № 5 — Элементы.ру
  31. Игорь Иванов. Гравитационные волны — открыты!. Элементы Большой Науки (11 февраля 2016). Дата обращения 14 февраля 2016.
  32. Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2016. — Vol. 116, no. 6. — DOI:10.1103/PhysRevLett.116.061102.
  33. Физики поймали гравитационные волны (недоступная ссылка). Дата обращения 23 февраля 2016. Архивировано 4 марта 2016 года.
  34. Сергей Попов: «Зачем нужна астрономия» (лекция 14 февраля 2016 года)
  35. Ученые зафиксировали предсказанные Эйнштейном гравитационные волны // meduza.io
  36. ArXiv.org Kris Pardo, Maya Fishbach, Daniel E. Holz, David N. Spergel Limits on the number of spacetime dimensions from GW170817
  37. Brian Stableford. Gravity // Science Fact and Science Fiction: An Encyclopedia. — Routledge, 2006. — С. 220—222. — 730 с. — ISBN 9780415974608.
  38. Евгений Харитонов. Гриада — Александр Колпаков — Рецензия на книгу. recensent.ru. Дата обращения 3 марта 2016.
  39. Okuda, 1999, Graviton, p. 177.
  40. Krauss, 2007, Ch. 4. Data Ends the Game, p. 72.
  41. After Earth — статья из The Encyclopedia of Science Fiction
  42. Евгений Харитонов. Гравитон. Лаборатория Фантастики. Дата обращения 5 апреля 2016.

Литература[править | править код]