В теориях квантовой гравитации гравитон — гипотетический квант гравитации , элементарная частица , которая является посредником силы гравитационного взаимодействия. Полной квантовой теории поля гравитонов не существует из-за нерешенной математической проблемы с перенормировкой в общей теории относительности . В теории струн , которую некоторые считают последовательной теорией квантовой гравитации, гравитон — это безмассовое состояние фундаментальной струны.
Если он существует, ожидается, что гравитон будет безмассовым , поскольку гравитационная сила имеет очень большой радиус 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 электромагнетизма , источником которого является 4-ток , тензор первого порядка). Кроме того, можно показать, что любое безмассовое поле со спином 2 породит силу, неотличимую от гравитации, поскольку безмассовое поле со спином 2 будет связываться с тензором энергии-импульса таким же образом, как это делают гравитационные взаимодействия. Этот результат предполагает, что если будет обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон. [5]
Предполагается, что гравитационные взаимодействия опосредованы пока еще не открытой элементарной частицей, называемой гравитоном . Три другие известные силы природы опосредованы элементарными частицами: электромагнетизм — фотоном , сильное взаимодействие — глюонами , а слабое взаимодействие — W- и Z-бозонами . Все три эти силы, по-видимому, точно описываются Стандартной моделью физики элементарных частиц. В классическом пределе успешная теория гравитонов сводится к общей теории относительности , которая сама сводится к закону тяготения Ньютона в пределе слабого поля. [6] [7] [8]
Альберт Эйнштейн обсуждал квантованное гравитационное излучение в 1916 году, на следующий год после публикации им общей теории относительности . [9] : 525 Термин гравитон был придуман в 1934 году советскими физиками Дмитрием Блохинцевым и Федором Гальпериным . [3] [9] Поль Дирак вновь ввел этот термин в ряде лекций в 1959 году, отметив, что энергия гравитационного поля должна поступать в квантах. [10] [11] Посредничество гравитационного взаимодействия частицами было предсказано Пьером-Симоном Лапласом . [12] Так же, как и предсказание Ньютоном фотонов , предполагаемые Лапласом «гравитоны» имели большую скорость, чем скорость света в вакууме , скорость гравитонов, ожидаемая в современных теориях, и не были связаны с квантовой механикой или специальной теорией относительности , поскольку эти теории еще не существовали во времена Лапласа.
При описании взаимодействий гравитонов классическая теория диаграмм Фейнмана и полуклассические поправки, такие как однопетлевые диаграммы, ведут себя нормально. Однако диаграммы Фейнмана с по крайней мере двумя петлями приводят к ультрафиолетовым расходимостям . [13] Эти бесконечные результаты не могут быть устранены, 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 из метода возмущений, с помощью которого физики вычисляют вероятность испускания или поглощения гравитонов частицей, и теория теряет предсказательную достоверность. Эти проблемы и структура дополнительного приближения являются основаниями для того, чтобы показать, что для описания поведения вблизи планковского масштаба требуется теория, более унифицированная, чем квантованная общая теория относительности .
Как и переносчики сил 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, которая на первый взгляд может показаться трудносовместимой с идеей силы, действующей между частицами. [14] Поскольку инвариантность теории относительно диффеоморфизма не позволяет выделить какой-либо конкретный фон пространства-времени в качестве «истинного» фона пространства-времени, общая теория относительности называется независимой от фона . Напротив, Стандартная модель не является независимой от фона, а пространство Минковского пользуется особым статусом как фиксированное фоновое пространство-время. [15] Для того, чтобы примирить эти различия, необходима теория квантовой гравитации. [16] Должна ли эта теория быть независимой от фона, является открытым вопросом. Ответ на этот вопрос определит понимание того, какую конкретную роль гравитация играет в судьбе Вселенной. [17]
Хотя предполагается, что гравитоны не имеют массы , они все равно будут переносить энергию , как и любая другая квантовая частица. Энергия фотона и энергия глюона также переносятся безмассовыми частицами. Неясно, какие переменные могут определять энергию гравитона, количество энергии, переносимое одним гравитоном.
Альтернативно, если гравитоны вообще массивны , анализ гравитационных волн дал новую верхнюю границу массы гравитонов . Комптоновская длина волны гравитона составляет по крайней мере1,6 × 10 16 м , или около 1,6 световых лет , что соответствует массе гравитона не более7,7 × 10−23 эВ / c2 . [18] Это соотношение между длиной волны и массой-энергией рассчитывается с помощью соотношения Планка - Эйнштейна , той же формулы, которая связывает электромагнитную длину волны с энергией фотона .
Однозначное обнаружение отдельных гравитонов, хотя и не запрещено никаким фундаментальным законом, считалось невозможным с помощью любого физически разумного детектора. [19] Причина в чрезвычайно низком поперечном сечении взаимодействия гравитонов с материей. Например, детектор с массой Юпитера и 100% эффективностью, размещенный на близкой орбите вокруг нейтронной звезды , мог бы наблюдать только один гравитон каждые 10 лет, даже при самых благоприятных условиях. Было бы невозможно отличить эти события от фона нейтрино , поскольку размеры необходимого нейтринного щита гарантировали бы коллапс в черную дыру . [19] Было высказано предположение, что обнаружение отдельных гравитонов было бы возможно с помощью квантового зондирования. [20] Даже квантовые события могут не указывать на квантование гравитационного излучения. [21]
Наблюдения коллабораций LIGO и Virgo напрямую обнаружили гравитационные волны. [22] [23] [24] Другие постулировали, что рассеяние гравитонов дает гравитационные волны, поскольку взаимодействия частиц дают когерентные состояния . [25] Хотя эти эксперименты не могут обнаружить отдельные гравитоны, они могут предоставить информацию об определенных свойствах гравитона. [26] 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 плотностью массы, чтобы их можно было обнаружить). [27] Наблюдения гравитационных волн устанавливают верхнюю границу1,76 × 10−23 эВ/ c2 от массы гравитона. [ 28] Измерения траектории планет Солнечной системы космическими аппаратами, такими как Cassini и MESSENGER, дают сопоставимую верхнюю границу3,16 × 10−23 эВ/ c2 . [29] Гравитационные волны и планетарные эфемериды не обязательно должны согласовываться: они проверяют различные аспекты потенциальной теории, основанной на гравитоне. [ 30] : 71
Астрономические наблюдения кинематики галактик, особенно проблемы вращения галактик и модифицированной ньютоновской динамики , могут указывать на гравитоны, имеющие ненулевую массу. [31] [32]
Большинство теорий, содержащих гравитоны, страдают от серьезных проблем. Попытки расширить Стандартную модель или другие квантовые теории поля путем добавления гравитонов сталкиваются с серьезными теоретическими трудностями при энергиях, близких к планковской шкале или выше . Это происходит из-за бесконечностей, возникающих из-за квантовых эффектов; технически гравитация неперенормируема . Поскольку классическая общая теория относительности и квантовая механика кажутся несовместимыми при таких энергиях, с теоретической точки зрения эта 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 квантово-механическими, содержат гравитон и считаются математически непротиворечивыми. [33]
{{cite journal}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )