Гравитон - Википедия - Graviton

Эта статья о гипотетической частице. Для использования в других целях см. Гравитон (значения).
Гравитон
СочинениеЭлементарная частица
СтатистикаСтатистика Бозе – Эйнштейна
ВзаимодействияГравитация
Положение делГипотетический
Символграмм[1]
АнтичастицаСебя
Теоретически1930-е годы[2]
Имя приписано Дмитрию Блохинцеву и Ф. М. Гальперину в 1934 году.[3]
Масса0
< 6×10−32 эВ /c2[4]
Средняя продолжительность жизниСтабильный
Электрический заряд0 е
Вращение2

В теориях квантовая гравитация, то гравитон это гипотетический квант из сила тяжести, элементарная частица который передает силу тяжести. Нет полного квантовая теория поля гравитонов из-за выдающейся математической задачи с перенормировка в общая теория относительности. В теория струн, который считается последовательной теорией квантовой гравитации, гравитон - это безмассовый состояние основной струны.

Если он существует, ожидается, что гравитон будет безмассовый потому что гравитационная сила имеет очень большой радиус действия и, кажется, распространяется со скоростью света. Гравитон должен быть вращение -2 бозон потому что источником гравитации является тензор энергии-импульса, второго порядка тензор (по сравнению с электромагнетизм Спин-1 фотон, источником которых является четырехканальный, тензор первого порядка). Кроме того, можно показать, что любое безмассовое поле со спином 2 вызовет силу, неотличимую от гравитации, потому что безмассовое поле со спином 2 будет взаимодействовать с тензором энергии-импульса таким же образом, как и гравитационные взаимодействия. Этот результат предполагает, что если обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон.[5]

Теория

Предполагается, что гравитационные взаимодействия опосредованы еще неоткрытой элементарной частицей, получившей название гравитон. Три других известных силы природы опосредуются элементарными частицами: электромагнетизм посредством фотон, то сильное взаимодействие к глюоны, а слабое взаимодействие посредством W- и Z-бозоны. Все три эти силы точно описываются стандартная модель физики элементарных частиц. в классический предел, успешная теория гравитонов свела бы к общая теория относительности, что само по себе сводится к Закон всемирного тяготения Ньютона в пределе слабого поля.[6][7][8]

Термин гравитон был впервые введен советскими физиками в 1934 году. Дмитрий Блохинцев и Ф. Гальперин.[3]

Гравитоны и перенормировка

При описании взаимодействия гравитонов классическая теория из Диаграммы Фейнмана и полуклассические исправления, такие как однопетлевые диаграммы вести себя нормально. Тем не мение, Диаграммы Фейнмана минимум с двумя петлями ведут к ультрафиолетовые расхождения.[нужна цитата ] Эти бесконечные результаты не могут быть удалены, потому что квантованные общая теория относительности не является пертурбативно перенормируемый, В отличие от квантовая электродинамика и такие модели, как Теория Янга – Миллса. Следовательно, неисчислимые ответы даются с помощью метода возмущений, с помощью которого физики вычисляют вероятность того, что частица испускает или поглощает гравитоны, и теория теряет предсказуемую достоверность. Эти проблемы и структура дополнительного приближения являются основанием для того, чтобы показать, что для описания поведения вблизи квантованной общей теории относительности требуется более унифицированная теория. Планковский масштаб.

Сравнение с другими силами

Словно силовые носители из другие силы (видеть фотон, глюон ) гравитация играет роль в общая теория относительности, при определении пространство-время в каких событиях происходят. В некоторых описаниях энергия изменяет "форму" пространство-время сама по себе, а гравитация является результатом этой формы, идея, которая на первый взгляд может показаться трудной для сопоставления с идеей силы, действующей между частицами.[9] Поскольку диффеоморфизм инвариантность теории не позволяет выделить какой-либо конкретный пространственно-временной фон в качестве "истинного" пространственно-временного фона, общая теория относительности называется независимый от фона. Напротив, Стандартная модель является нет независимый от фона, с Пространство Минковского пользуется особым статусом фиксированного фонового пространства-времени.[10] Теория квантовая гравитация необходимо, чтобы примирить эти различия.[11] Должна ли эта теория быть независимой от фона - вопрос открытый. Ответ на этот вопрос определит наше понимание того, какую конкретную роль гравитация играет в судьбе Вселенной.[12]

Гравитоны в умозрительных теориях

Теория струн предсказывает существование гравитонов и их четко определенных взаимодействия. Гравитон в теория пертурбативных струн это закрытая строка в очень специфическом низкоэнергетическом колебательном состоянии. Рассеяние гравитонов в теории струн также можно вычислить из корреляционные функции в конформная теория поля, как продиктовано AdS / CFT переписка, или от матричная теория.[нужна цитата ]

Особенность гравитонов в теории струн заключается в том, что, будучи замкнутыми струнами без концов, они не будут связаны с браны и мог свободно перемещаться между ними. Если мы живем на бране (согласно гипотезе теории браны ), эта «утечка» гравитонов из браны в пространство более высоких измерений может объяснить, почему гравитация является такой слабой силой, а гравитоны из других бран, соседних с нашей, могут дать возможное объяснение этому. темная материя. Однако, если бы гравитоны совершенно свободно перемещались между бранами, это бы слишком сильно ослабило гравитацию, что привело бы к нарушению закона обратных квадратов Ньютона. Чтобы бороться с этим, Лиза Рэндалл обнаружили, что трехбрана (такая как наша) будет иметь собственное гравитационное притяжение, препятствующее свободному дрейфу гравитонов, что, возможно, приведет к ослабленной гравитации, которую мы наблюдаем, при грубом соблюдении закона обратных квадратов Ньютона.[13] Видеть бранная космология.

Теория Ахмеда Фарага Али и Саурьи Даса добавляет квантово-механические поправки (с использованием траекторий Бома) к общей релятивистской геодезической. Если гравитонам приписать небольшую, но ненулевую массу, это могло бы объяснить космологическая постоянная без необходимости темная энергия и решить проблема малости.[14] Теория получила почетную награду на конкурсе эссе 2014 г. Фонд гравитационных исследований для объяснения малости космологической постоянной.[15] Также теория получила почетную награду на конкурсе эссе 2015 г. Фонд гравитационных исследований для естественного объяснения наблюдаемой крупномасштабной однородности и изотропии Вселенной из-за предложенных квантовых поправок.[16]

Энергия и длина волны

Предполагается, что гравитоны безмассовый, они все равно несут энергия, как и любая другая квантовая частица. Энергия фотона и глюонная энергия также переносятся безмассовыми частицами. Неясно, какие переменные могут определять энергию гравитона, количество энергии, переносимой одним гравитоном.

В качестве альтернативы, если гравитоны вообще массивны, анализ гравитационные волны дала новую верхнюю границу масса гравитонов. Гравитон Комптоновская длина волны по крайней мере 1.6×1016 м, или около 1,6 световых лет, что соответствует массе гравитона не более 7.7×10−23 эВ /c2.[17] Это соотношение между длиной волны и массой-энергией рассчитывается с помощью Соотношение Планка – Эйнштейна, та же формула, которая связывает электромагнитные длина волны к энергия фотона. Однако, если гравитоны являются квантами гравитационных волн, то соотношение между длиной волны и соответствующей энергией частицы для гравитонов принципиально иное, чем для фотонов, поскольку комптоновская длина волны гравитона не равна длине волны гравитационной волны. Вместо этого нижняя граница длины волны Комптона гравитона составляет около 9×109 раз больше, чем длина гравитационной волны для GW170104 событие, которое составило ~ 1700 км. Отчет[17] не уточнил источник этого соотношения. Возможно, что гравитоны не являются квантами гравитационных волн или эти два явления связаны по-разному.

Экспериментальное наблюдение

Однозначное обнаружение отдельных гравитонов, хотя и не запрещено каким-либо фундаментальным законом, невозможно с помощью любого физически разумного детектора.[18] Причина в крайне низкой поперечное сечение для взаимодействия гравитонов с веществом. Например, детектор массой Юпитер и 100% КПД, размещены на близкой орбите вокруг нейтронная звезда, можно было бы ожидать, что будет наблюдать только один гравитон каждые 10 лет, даже при самых благоприятных условиях. Было бы невозможно отделить эти события от фона нейтрино, поскольку размеры необходимого нейтринного экрана обеспечат коллапс в черная дыра.[18]

LIGO и Дева наблюдения коллабораций непосредственно обнаружен гравитационные волны.[19][20][21] Другие постулировали, что рассеяние гравитона порождает гравитационные волны, поскольку взаимодействия частиц дают когерентные состояния.[22] Хотя эти эксперименты не могут обнаружить отдельные гравитоны, они могут предоставить информацию об определенных свойствах гравитона.[23] Например, если бы гравитационные волны распространялись медленнее, чем c (в 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, если они должны быть обнаружены).[24] Недавние наблюдения гравитационных волн поставили верхнюю границу 1.2×10−22 эВ /c2 от массы гравитона.[19] Астрономические наблюдения кинематики галактик, особенно проблема вращения галактики и модифицированная ньютоновская динамика, может указывать на гравитоны с ненулевой массой.[25][26]

Трудности и нерешенные вопросы

Большинство теорий, содержащих гравитоны, страдают серьезными проблемами. Попытки расширить Стандартную модель или другие квантовые теории поля путем добавления гравитонов наталкиваются на серьезные теоретические трудности при энергиях, близких или превышающих Планковский масштаб. Это происходит из-за бесконечностей, возникающих из-за квантовых эффектов; технически гравитация не перенормируемый. Поскольку классическая общая теория относительности и квантовая механика кажутся несовместимыми при таких энергиях, с теоретической точки зрения такая ситуация неприемлема. Одно из возможных решений - заменить частицы на струны. Теории струн - это квантовые теории гравитации в том смысле, что они сводятся к классической общей теории относительности плюс теория поля при низких энергиях, но полностью квантово-механические, содержат гравитон и считаются математически согласованными.[27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ G используется, чтобы избежать путаницы с глюоны (символ g)
  2. ^ Ровелли, К. (2001). «Заметки для краткой истории квантовой гравитации». arXiv:gr-qc / 0006061.
  3. ^ а б Блохинцев, Д. И .; Гальперин, Ф. М. (1934). "Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии" [Гипотеза нейтрино и сохранение энергии]. Под Знаменем Марксизма (на русском). 6: 147–157. ISBN  9785040089567.
  4. ^ Zyla, P .; и другие. (Группа данных о частицах ) (2020). "Обзор физики элементарных частиц: калибровочные бозоны и бозоны Хиггса" (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  5. ^ Для сравнения геометрического вывода и вывода (не геометрического) поля спина 2 общей теории относительности см. Вставку 18.1 (а также 17.2.5) документа Миснер, К.; Торн, К.С.; Уиллер, Дж. А. (1973). Гравитация. В. Х. Фриман. ISBN  0-7167-0344-0.
  6. ^ Feynman, R.P .; Morinigo, F. B .; Wagner, W. G .; Хэтфилд, Б. (1995). Лекции Фейнмана по гравитации. Эддисон-Уэсли. ISBN  0-201-62734-5.
  7. ^ Зи, А. (2003). Квантовая теория поля в двух словах. Princeton University Press. ISBN  0-691-01019-6.
  8. ^ Рэндалл, Л. (2005). Искаженные проходы: открытие скрытых измерений Вселенной. Ecco Press. ISBN  0-06-053108-8.
  9. ^ Смотрите другие статьи на Общая теория относительности, Гравитационное поле, Гравитационная волна, так далее
  10. ^ Colosi, D .; и другие. (2005). «Фоновая независимость в двух словах: динамика тетраэдра». Классическая и квантовая гравитация. 22 (14): 2971–2989. arXiv:gr-qc / 0408079. Bibcode:2005CQGra..22.2971C. Дои:10.1088/0264-9381/22/14/008.
  11. ^ Виттен, Э. (1993). «Квантовая независимость от фона в теории струн». arXiv:hep-th / 9306122.
  12. ^ Смолин, Л. (2005). «Дело за независимость фона». arXiv:hep-th / 0507235.
  13. ^ Каку, Мичио (2006) Параллельные миры - наука об альтернативных вселенных и наше будущее в космосе. Doubleday. С. 218–221. ISBN  978-0385509862.
  14. ^ Али, Ахмед Фараг (2014). «Космология из квантового потенциала». Письма по физике B. 741: 276–279. arXiv:1404.3093. Bibcode:2015ФЛБ..741..276Ф. Дои:10.1016 / j.physletb.2014.12.057.
  15. ^ Дас, Саурья (2014). «Космическое совпадение или масса гравитона?». Международный журнал современной физики D. 23 (12): 1442017. arXiv:1405.4011. Bibcode:2014IJMPD..2342017D. Дои:10.1142 / S0218271814420176.
  16. ^ Дас, Саурья (2015). «Конденсация Бозе – Эйнштейна как альтернатива инфляции». Международный журнал современной физики D. 24 (12): 1544001–219. arXiv:1509.02658. Bibcode:2015IJMPD..2444001D. Дои:10.1142 / S0218271815440010.
  17. ^ а б Б. П. Эбботт; и другие. (LIGO Scientific Collaboration и Дева Сотрудничество ) (1 июня 2017 г.). "GW170104: Наблюдение слияния двойной черной дыры массой 50 солнечных масс при красном смещении 0,2". Письма с физическими проверками. 118 (22): 221101. arXiv:1706.01812. Bibcode:2017ПхРвЛ.118в1101А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.118.221101. PMID  28621973.
  18. ^ а б Ротман, Т .; Боун, С. (2006). «Можно ли обнаружить гравитоны?». Основы физики. 36 (12): 1801–1825. arXiv:gr-qc / 0601043. Bibcode:2006ФоФ ... 36.1801Р. Дои:10.1007 / s10701-006-9081-9. S2CID  14008778.
  19. ^ а б Эбботт, Б. П. и др. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Девы) (2016). "Наблюдение гравитационных волн от двойного слияния черных дыр". Письма с физическими проверками. 116 (6): 061102. arXiv:1602.03837. Bibcode:2016ПхРвЛ.116ф1102А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.116.061102. PMID  26918975.
  20. ^ Кастельвекки, Давиде; Витце, Витце (11 февраля 2016 г.). «Наконец-то найдены гравитационные волны Эйнштейна». Новости природы. Дои:10.1038 / природа.2016.19361. S2CID  182916902.
  21. ^ «Гравитационные волны обнаружены через 100 лет после предсказания Эйнштейна | NSF - Национальный научный фонд». www.nsf.gov. Получено 2016-02-11.
  22. ^ Senatore, L .; Silverstein, E .; Залдарриага, М. (2014). «Новые источники гравитационных волн при инфляции». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2014 (8): 016. arXiv:1109.0542. Bibcode:2014JCAP ... 08..016S. Дои:10.1088/1475-7516/2014/08/016. S2CID  118619414.
  23. ^ Дайсон, Фриман (8 октября 2013 г.). "Можно ли обнаружить гравитон?". Международный журнал современной физики A. 28 (25): 1330041–1–1330035–14. Bibcode:2013IJMPA..2830041D. Дои:10.1142 / S0217751X1330041X.
  24. ^ Уилл, К. М. (1998). «Ограничение массы гравитона с использованием гравитационно-волновых наблюдений за вдохновляющими компактными двойными системами» (PDF). Физический обзор D. 57 (4): 2061–2068. arXiv:gr-qc / 9709011. Bibcode:1998ПхРвД..57.2061Вт. Дои:10.1103 / PhysRevD.57.2061. S2CID  41690760.
  25. ^ Триппе, Саша (2012). «Упрощенная трактовка гравитационного взаимодействия в галактических масштабах». Журнал Корейского астрономического общества. 46 (1): 41–47. arXiv:1211.4692. Bibcode:2013JKAS ... 46 ... 41 т. Дои:10.5303 / JKAS.2013.46.1.41.
  26. ^ Платшер, Мориц; Смирнов, Юрий; Мейер, Свен; Бартельманн, Маттиас (2018). «Эффекты дальнего действия в теориях гравитации с экранированием Вайнштейна». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2018 (12): 009. arXiv:1809.05318. Bibcode:2018JCAP ... 12..009P. Дои:10.1088/1475-7516/2018/12/009. S2CID  86859475.
  27. ^ Сокаль, А. (22 июля 1996 г.). "Не дергайте пока за теорию суперструн". Нью-Йорк Таймс. Получено 26 марта, 2010.

внешняя ссылка