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)
Время жизни > лет[4]
Каналы распада Стабилен
Теоретически обоснована 1930-е годы[5]
часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина[6]
Квантовые числа
Электрический заряд 0
Барионное число 0
Лептонное число 0
Спин 2 ħ
Чётность +1
Зарядовая чётность +1

Гравито́н — гипотетическая безмассовая элементарная частица — переносчик гравитационного взаимодействия и квант гравитационного поля без электрического и других зарядов (однако обладает энергией и поэтому участвует 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[7][8].

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[9].

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.[10][11]

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 ,[12] связывающей значение спина с числом компонент волновых функций поля , получаем значение спина гравитона [13].

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[14][15][16].

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 [17].

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[18].

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[19].

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации. В некоторых из них гравитон обладает массой[20].

Считается, что плотность энергии реликтовых гравитонов, образовавшихся в первые секунд после Большого Взрыва, в настоящее время составляет примерно от плотности энергии реликтовых фотонов.[21]

По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распаде[22], рассеянии элементарных частиц[23], аннигиляции электронно-позитронных пар[24], при эффекте Комптона[25], при столкновениях адронов высоких энергий[26].

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[27]

Антигравитон имеет спин 1[2].

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][9].

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 — 4,5 × 108 лет.[4]

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

В культовом фантастическом телесериале «Звёздный путь» зведолёты снабжены технологиями на основе гравитонов[38], 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[39].

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[40].

Название «Гравитон» носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год[41].

См. также[править | править код]

Источники[править | править код]

  1. Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции. Дата обращения: 28 октября 2014. Архивировано 15 июля 2015 года.
  2. 1 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. 1 2 ArXiv.org Kris Pardo, Maya Fishbach, Daniel E. Holz, David N. Spergel Limits on the number of spacetime dimensions from GW170817 Архивная копия от 3 ноября 2019 на Wayback Machine
  5. Rovelli, C. (2001), Notes for a brief history of quantum gravity, arΧiv:gr-qc/0006061 [gr-qc]. 
  6. Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии (неопр.) // Под знаменем марксизма. — 1934. — Т. 6. — С. 147—157. (рус.)
  7. Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии. «Под знаменем марксизма», 6 (1934) 147—157.
  8. Горелик Г. Е. Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию нерешенной проблемы // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2005. — Т. 175, вып. 10. — С. 1093—1108. — doi:10.3367/UFNr.0175.200510h.1093.
  9. 1 2 ПостНаука 5 июня 2015 г. Сергей Блинников Что такое гравитон? Архивная копия от 22 сентября 2018 на Wayback Machine
  10. 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.
  11. 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.
  12. Паули В. Релятивистская теория элементарных частиц. — М.: ИЛ, 1947. — С. 72
  13. Соколов А., Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 662.
  14. Вайнберг, 1975, с. 312.
  15. Вайнберг, 2001, с. 337.
  16. S. Weinberg Feynman rules for any spin, I Архивная копия от 22 апреля 2019 на Wayback Machine, Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman rules for any spin Архивная копия от 22 апреля 2019 на Wayback Machine, 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 Архивная копия от 9 декабря 2019 на Wayback Machine, Ib, 135, B1049-1056 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in perturbation theory: derivation of Maxwell’s and Einstein’s equations, Архивная копия от 24 марта 2020 на Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965)
  17. Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1969. — С. 174.
  18. 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.
  19. О. О. Фейгин Столетний юбилей ОТО Архивная копия от 4 мая 2017 на Wayback Machine // Химия и жизнь. — 2015. — № 10 — Элементы.ру
  20. Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон» Архивная копия от 14 апреля 2015 на Wayback Machine, УФН, 178, с. 813, (2008)
  21. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Рождение гравитонов на ранних стадиях расширения горячей модели // Релятивистская астрофизика. — М.: Наука, 1967. — С. 497—500.
  22. Фейнман, 2000, с. 276.
  23. Фейнман, 2000, с. 278.
  24. Yu. S. Vladimirov Annihilation of an Electron-Positron Pair into Two Gravitons // JETP. — 1963. — Том 16, Вып. 1. — C. 65 — URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Архивная копия от 7 апреля 2022 на Wayback Machine
  25. N.A. Voronov Gravitational Compton effect and photoproduction of gravitons by electrons // JETP. — 1973. — Том 37, Вып. 6. — C. 953 — URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  26. 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.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  27. Лев Окунь Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи Архивная копия от 4 мая 2017 на Wayback Machine // Доклад на Президиуме РАН 27 октября 2009 г. —Элементы.ру
  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 Архивная копия от 11 июня 2017 на Wayback Machine // Популярная механика. — 2014. — № 5 — Элементы.ру
  31. Игорь Иванов. Гравитационные волны — открыты!. Элементы Большой Науки (11 февраля 2016). Дата обращения: 14 февраля 2016. Архивировано 14 февраля 2016 года.
  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. Дата обращения: 23 февраля 2016. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года.
  34. Сергей Попов: «Зачем нужна астрономия» (лекция 14 февраля 2016 года). Дата обращения: 23 февраля 2016. Архивировано 19 апреля 2019 года.
  35. Ученые зафиксировали предсказанные Эйнштейном гравитационные волны Архивная копия от 15 февраля 2016 на Wayback Machine // meduza.io
  36. Brian Stableford. Gravity // Science Fact and Science Fiction: An Encyclopedia. — Routledge, 2006. — С. 220—222. — 730 с. — ISBN 9780415974608.
  37. Евгений Харитонов. Гриада — Александр Колпаков — Рецензия на книгу. recensent.ru. Дата обращения: 3 марта 2016. Архивировано 5 марта 2016 года.
  38. Okuda, 1999, Graviton, p. 177.
  39. Krauss, 2007, Ch. 4. Data Ends the Game, p. 72.
  40. After Earth — статья из The Encyclopedia of Science Fiction
  41. Евгений Харитонов. Гравитон. Лаборатория Фантастики. Дата обращения: 5 апреля 2016. Архивировано 24 февраля 2022 года.

Литература[править | править код]