В теориях квантовой гравитации гравитон — это гипотетический квант гравитации , элементарная частица , которая является посредником силы гравитационного взаимодействия. Полной квантовой теории поля гравитонов не существует из-за выдающейся математической проблемы с перенормировкой в общей теории относительности . В теории струн , которую некоторые считают последовательной теорией квантовой гравитации, гравитон представляет собой безмассовое состояние фундаментальной струны.
Если он существует, ожидается, что гравитон будет безмассовым , поскольку гравитационная сила имеет очень большую дальность действия и, по-видимому, распространяется со скоростью света. Гравитон должен быть бозоном со спином -2 , поскольку источником гравитации является тензор энергии-импульса , тензор второго порядка (по сравнению с фотоном со спином 1 в электромагнетизме , источником которого является четырехток , первый ток). тензор порядка). Кроме того, можно показать, что любое безмассовое поле со спином 2 приведет к возникновению силы, неотличимой от гравитации, поскольку безмассовое поле со спином 2 будет связываться с тензором энергии-импульса так же, как это происходит с гравитационными взаимодействиями. Этот результат предполагает, что если будет обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон. [5]
Предполагается, что гравитационные взаимодействия опосредуются еще не открытой элементарной частицей, получившей название гравитона . Три других известных силы природы опосредованы элементарными частицами: электромагнетизм (фотон ) , сильное взаимодействие (глюоны ) и слабое взаимодействие (W- и Z-бозоны ). Все три эти силы, по-видимому, точно описываются Стандартной моделью физики элементарных частиц. В классическом пределе успешная теория гравитонов сводилась бы к общей теории относительности , которая сама сводится к закону гравитации Ньютона в пределе слабого поля. [6] [7] [8]
Термин гравитон был первоначально введен в 1934 году советскими физиками Дмитрием Блохинцевым и Ф. М. Гальперина. [3] Поль Дирак повторно ввел этот термин в ряде лекций в 1959 году, отметив, что энергия гравитационного поля должна проявляться в квантах, которые Дирак называл «гравитонами» в терминологии повторного введения. [9] [10] Опосредование гравитационного взаимодействия частицами было предсказано Пьером-Симоном Лапласом . [11] Так же, как и предвидение Ньютоном фотонов , ожидаемые Лапласом «гравитоны» имели большую скорость, чем c (скорость света), скорость гравитонов, ожидаемая в современных теориях, и не были связаны с квантовой механикой или специальной теорией относительности , поскольку эти теории еще не существовало при жизни Лапласа.
При описании гравитонных взаимодействий классическая теория диаграмм Фейнмана и полуклассические поправки типа однопетлевых диаграмм ведут себя нормально. Однако диаграммы Фейнмана, содержащие как минимум две петли, приводят к ультрафиолетовым расходимостям . [12] Эти бесконечные результаты не могут быть удалены, поскольку квантованная общая теория относительности не является пертурбативно перенормируемой , в отличие от квантовой электродинамики и таких моделей, как теория Янга-Миллса . Поэтому неисчислимые ответы находятся с помощью метода возмущений, с помощью которого физики вычисляют вероятность испускания или поглощения частицей гравитонов, и теория теряет предсказательную достоверность. Эти проблемы и структура дополнительного приближения дают основание показать, что для описания поведения вблизи масштаба Планка требуется теория, более единая, чем квантованная общая теория относительности .
Подобно носителям других сил (см. фотон , глюон , W- и Z-бозоны ), гравитон играет роль в общей теории относительности , определяя пространство-время , в котором происходят события. В некоторых описаниях энергия изменяет «форму» самого пространства-времени , а гравитация является результатом этой формы, идея, которую на первый взгляд может показаться трудно сопоставить с идеей силы, действующей между частицами. [13] Поскольку диффеоморфная инвариантность теории не позволяет выделить какой-либо конкретный пространственно-временной фон в качестве «истинного» пространственно-временного фона, общая теория относительности считается независимой от фона . Напротив, Стандартная модель не является независимой от фона: пространство Минковского имеет особый статус фиксированного фонового пространства-времени. [14] Чтобы примирить эти различия, необходима теория квантовой гравитации. [15] Должна ли эта теория быть независимой от фона, остается открытым вопросом. Ответ на этот вопрос определит понимание того, какую конкретную роль играет гравитация в судьбе Вселенной. [16]
Теория струн предсказывает существование гравитонов и их четко определенные взаимодействия . Гравитон в пертурбативной теории струн — это замкнутая струна, находящаяся в особом низкоэнергетическом колебательном состоянии. Рассеяние гравитонов в теории струн также можно вычислить из корреляционных функций в конформной теории поля , как это диктуется соответствием AdS/CFT , или из теории матриц . [ нужна цитата ]
Особенностью гравитонов в теории струн является то, что, будучи замкнутыми струнами без концов, они не связаны с бранами и могут свободно перемещаться между ними. Если мы живем на бране (как предполагает теория бран ), эта «утечка» гравитонов из браны в пространство более высоких измерений могла бы объяснить, почему гравитация является такой слабой силой, а гравитоны из других бран, соседних с нашей, могли бы обеспечить потенциальное объяснение темной материи . Однако если бы гравитоны могли совершенно свободно перемещаться между бранами, это слишком сильно ослабило бы гравитацию, что привело бы к нарушению закона обратных квадратов Ньютона. Чтобы бороться с этим, Лиза Рэндалл обнаружила, что три-браны (такие как наша) будут иметь собственное гравитационное притяжение, препятствующее свободному дрейфу гравитонов, что, возможно, приводит к ослаблению гравитации, которую мы наблюдаем, при этом примерно сохраняя закон обратных квадратов Ньютона. [17] См. космология бран .
Теория Ахмеда Фараг Али и Саурья Дас добавляет квантово-механические поправки (с использованием траекторий Бома) к общей релятивистской геодезической. Если гравитонам придать небольшую, но ненулевую массу, это могло бы объяснить космологическую постоянную без необходимости использования темной энергии и решить проблему малости . [18] Эта теория получила почетную награду на конкурсе эссе Фонда исследований гравитации в 2014 году за объяснение малости космологической постоянной. [19] Также теория получила почетную награду на конкурсе эссе Фонда исследований гравитации в 2015 году за естественное объяснение наблюдаемой крупномасштабной однородности и изотропии Вселенной благодаря предложенным квантовым поправкам. [20]
Мэтью Р. Эдвардс предполагает, что гравитооптическая среда состоит из гравитонов и, в свою очередь, может быть связана с подходом поляризуемого вакуума . [21]
Хотя гравитоны считаются безмассовыми , они все равно будут нести энергию , как и любая другая квантовая частица. Энергию фотонов и энергию глюонов также переносят безмассовые частицы. Неясно, какие переменные могут определять энергию гравитона — количество энергии, переносимое одним гравитоном.
С другой стороны, если гравитоны вообще массивны , анализ гравитационных волн дал новую верхнюю границу массы гравитонов . Комптоновская длина волны гравитона не менее1,6 × 10 16 м , или около 1,6 световых лет , что соответствует массе гравитона не более7,7 × 10 -23 эВ / c 2 . [22] Это соотношение между длиной волны и массой-энергией рассчитывается с помощью соотношения Планка-Эйнштейна , той же формулы, которая связывает длину волны электромагнитного излучения с энергией фотона .
Однозначное обнаружение отдельных гравитонов, хотя и не запрещено каким-либо фундаментальным законом, невозможно ни одним физически разумным детектором. [23] Причина – чрезвычайно малое сечение взаимодействия гравитонов с веществом. Например, можно было бы ожидать, что детектор с массой Юпитера и 100% эффективностью, размещенный на близкой орбите вокруг нейтронной звезды , будет наблюдать только один гравитон каждые 10 лет, даже при самых благоприятных условиях. Выделить эти события на фоне нейтрино было бы невозможно , поскольку размеры необходимого нейтринного экрана обеспечили бы коллапс в черную дыру . [23]
Наблюдения коллабораций LIGO и Virgo напрямую обнаружили гравитационные волны. [24] [25] [26] Другие постулировали, что рассеяние гравитонов приводит к гравитационным волнам, поскольку взаимодействия частиц приводят к когерентным состояниям . [27] Хотя эти эксперименты не могут обнаружить отдельные гравитоны, они могут предоставить информацию об определенных свойствах гравитона. [28] Например, если бы наблюдалось, что гравитационные волны распространяются медленнее, чем c ( скорость света в вакууме), это означало бы, что гравитон имеет массу (однако гравитационные волны должны распространяться медленнее, чем c , в области с ненулевой плотность массы, если они должны быть обнаружены). [29] Недавние наблюдения гравитационных волн установили верхнюю границу1,2 × 10 −22 эВ/ c 2 от массы гравитона. [24] Астрономические наблюдения кинематики галактик, особенно проблемы вращения галактик и модифицированной ньютоновской динамики , могут указывать на гравитоны, имеющие ненулевую массу. [30] [31]
Большинство теорий, содержащих гравитоны, страдают от серьезных проблем. Попытки расширить Стандартную модель или другие квантовые теории поля путем добавления гравитонов наталкиваются на серьезные теоретические трудности при энергиях, близких к планковскому масштабу или превышающих его . Это происходит из-за бесконечностей, возникающих из-за квантовых эффектов; технически гравитация неперенормируема . Поскольку классическая общая теория относительности и квантовая механика при таких энергиях кажутся несовместимыми, с теоретической точки зрения такая ситуация несостоятельна. Одним из возможных решений является замена частиц струнами . Теории струн являются квантовыми теориями гравитации в том смысле, что они сводятся к классической общей теории относительности плюс теории поля при низких энергиях, но являются полностью квантовомеханическими, содержат гравитон и считаются математически непротиворечивыми. [32]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )