Сила тяжести
| Состав | Элементарная частица |
|---|---|
| Статистика | Статистика Бозе – Эйнштейна |
| Семья | бозон со спином 2 |
| Взаимодействия | Гравитация |
| Положение дел | Гипотетический |
| Символ | г [1] |
| Античастица | Себя |
| Теоретический | 1930-е годы [2] Имя приписывается Дмитрию Блохинцеву и Ф. М. Гальперину в 1934 году. [3] |
| Масса | 0
< 6 × 10 −32 эВ/ c 2 [4] |
| Средний срок службы | стабильный |
| Электрический заряд | 0 и |
| Цветовой заряд | Нет. |
| Вращаться | 2 часа |
В теориях квантовой гравитации гравитон , — это гипотетический квант гравитации которая является , элементарная частица посредником силы гравитационного взаимодействия. не существует Полной квантовой теории поля гравитонов 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 со спином -2 бозоном , поскольку источником гравитации является тензор энергии-импульса второго порядка , тензор (по сравнению с электромагнетизме со спином 1 в фотоном , 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]
Теория [ править ]
Предполагается, что гравитационные взаимодействия опосредуются еще не открытой элементарной частицей, названной гравитоном . Три других известных силы природы опосредованы элементарными частицами: электромагнетизм (фотон ) , сильное взаимодействие ) (глюоны и слабое взаимодействие (W- и Z-бозоны) . Все три эти силы, похоже, 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]
История [ править ]
Альберт Эйнштейн обсуждал квантовое гравитационное излучение в 1916 году, через год после публикации общей теории относительности . [9] : 525 Термин гравитон советскими физиками Дмитрием Блохинцевым и 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] Опосредование гравитационного взаимодействия частицами предвидел Пьер-Симон Лаплас . [12] Точно так же, как Ньютон предвидел появление фотонов , ожидаемые Лапласом «гравитоны» имели большую скорость, чем скорость света в вакууме. , скорость гравитонов, ожидаемая в современных теориях, и не была связана с квантовой механикой или специальной теорией относительности , поскольку этих теорий еще не существовало при жизни Лапласа.
Гравитоны и перенормировка [ править ]
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 . [13] Эти бесконечные результаты не могут быть удалены, потому что 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 .
Сравнение с другими силами [ править ]
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 о силе, действующей между частицами. [14] 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. [15] Чтобы примирить эти различия, необходима теория квантовой гравитации. [16] 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. [17]
и волны длина Энергия
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. гравитона Комптоновская длина волны составляет не менее 1,6 × 10. 16 м , или около 1,6 световых лет , что соответствует массе гравитона не более 7,7 × 10 −23 эВ / c 2 . [18] 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 .
Экспериментальное наблюдение [ править ]
Однозначное обнаружение отдельных гравитонов, хотя и не запрещено каким-либо фундаментальным законом, невозможно ни одним физически разумным детектором. [19] 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 . [19]
LIGO и Virgo Наблюдения коллабораций напрямую обнаружили гравитационные волны. [20] [21] [22] Другие постулировали, что рассеяние гравитонов порождает гравитационные волны, тогда как взаимодействия частиц приводят к когерентным состояниям . [23] Хотя эти эксперименты не могут обнаружить отдельные гравитоны, они могут предоставить информацию об определенных свойствах гравитона. [24] 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, если они должны быть обнаружены). [25] Недавние наблюдения гравитационных волн установили верхнюю границу в 1,2 × 10 −22 эВ/ c 2 о массе гравитона. [20] Астрономические наблюдения кинематики галактик, особенно проблемы вращения галактик и модифицированной ньютоновской динамики , могут указывать на гравитоны, имеющие ненулевую массу. [26] [27]
Трудности и нерешенные вопросы [ править ]
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. [28]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ G используется, чтобы не путать с глюонами (символ g)
- ^ Ровелли, К. (2001). «Заметки к краткой истории квантовой гравитации». arXiv : gr-qc/0006061 .
- ^ Перейти обратно: а б Blokhintsev, D. I.; Gal'perin, F. M. (1934). "Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии" [Neutrino hypothesis and conservation of energy]. Pod Znamenem Marxisma (in Russian). 6 : 147–157. ISBN 978-5-04-008956-7 .
- ^ Зила, П.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2020). «Обзор физики элементарных частиц: калибровочные и бозоны Хиггса» (PDF) . Успехи теоретической и экспериментальной физики . Архивировано (PDF) из оригинала 30 сентября 2020 г.
- ^ Для сравнения геометрического вывода и (негеометрического) вывода поля спина 2 общей теории относительности см. блок 18.1 (а также 17.2.5) документа. Миснер, CW ; Торн, Канзас ; Уилер, Дж. А. (1973). Гравитация . У. Х. Фриман . ISBN 0-7167-0344-0 .
- ^ Фейнман, Р.П.; Мориниго, ФБ; Вагнер, РГ; Хэтфилд, Б. (1995). Фейнмановские лекции по гравитации . Аддисон-Уэсли . ISBN 0-201-62734-5 .
- ^ Зи, Энтони (2003). Квантовая теория поля в двух словах . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета . ISBN 0-691-01019-6 .
- ^ Рэндалл, Л. (2005). Искаженные проходы: разгадка скрытых измерений Вселенной . Экко Пресс . ISBN 0-06-053108-8 .
- ^ Перейти обратно: а б Стэйчел, Джон (1999). «Ранняя история квантовой гравитации (1916–1940)». Черные дыры, гравитационное излучение и Вселенная . Фундаментальные теории физики. Том. 100. С. 525–534. дои : 10.1007/978-94-017-0934-7_31 . ISBN 978-90-481-5121-9 .
- ^ Фармело, Грэм (2009). Самый странный человек: Скрытая жизнь Поля Дирака, квантового гения . Фабер и Фабер. стр. 367–368. ISBN 978-0-571-22278-0 .
- ^ Дебнат, Локенат (2013). «Краткая биография Поля А.М. Дирака и историческое развитие дельта-функции Дирака» . Международный журнал математического образования в области науки и технологий . 44 (8): 1201–1223. Бибкод : 2013IJMES..44.1201D . дои : 10.1080/0020739X.2013.770091 . ISSN 0020-739X .
- ^ Зи, Энтони (24 апреля 2018 г.). О гравитации: краткий экскурс в важную тему . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-17438-9 .
- ^ Цви Берна; Хуан-Ханг Чиб; Лэнс Диксонб; Алекс Эдисона. «Упрощенная двухпетлевая перенормировка квантовой гравитации» (PDF) . www.slac.stanford.edu . Институт теоретической физики Бхаумика – факультет физики и астрономии.
- ^ См. другие статьи Википедии по общей теории относительности , гравитационному полю , гравитационной волне и т. д.
- ^ Колози, Д.; и другие. (2005). «Фоновая независимость в двух словах: динамика тетраэдра». Классическая и квантовая гравитация . 22 (14): 2971–2989. arXiv : gr-qc/0408079 . Бибкод : 2005CQGra..22.2971C . дои : 10.1088/0264-9381/22/14/008 . S2CID 17317614 .
- ^ Виттен, Э. (1993). «Независимость от квантового фона в теории струн». arXiv : hep-th/9306122 .
- ^ Смолин, Л. (2005). «Дело в пользу независимости от фона». arXiv : hep-th/0507235 .
- ^ Эбботт, BP; и другие. ( Научное сотрудничество LIGO и Virgo Collaboration ) (1 июня 2017 г.). «GW170104: Наблюдение слияния двойных черных дыр с массой 50 солнечных при красном смещении 0,2». Письма о физических отзывах . 118 (22): 221101. arXiv : 1706.01812 . Бибкод : 2017PhRvL.118v1101A . doi : 10.1103/PhysRevLett.118.221101 . ПМИД 28621973 . S2CID 206291714 .
- ^ Перейти обратно: а б Ротман, Т.; Боун, С. (2006). «Можно ли обнаружить гравитоны?». Основы физики . 36 (12): 1801–1825. arXiv : gr-qc/0601043 . Бибкод : 2006FoPh...36.1801R . дои : 10.1007/s10701-006-9081-9 . S2CID 14008778 .
- ^ Перейти обратно: а б Эбботт, Б.П. и др. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Virgo) (2016). «Наблюдение гравитационных волн в результате слияния двойных черных дыр». Письма о физических отзывах . 116 (6): : 1602.03837 061102.arXiv . Бибкод : 2016PhRvL.116f1102A . doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . ПМИД 26918975 . S2CID 124959784 .
- ^ Кастельвекки, Давиде; Витце, Витце (11 февраля 2016 г.). «Наконец-то найдены гравитационные волны Эйнштейна». Новости природы . дои : 10.1038/nature.2016.19361 . S2CID 182916902 .
- ^ «Гравитационные волны обнаружены через 100 лет после предсказания Эйнштейна | NSF – Национальный научный фонд» . www.nsf.gov . Проверено 11 февраля 2016 г.
- ^ Сенатор, Л.; Сильверстайн, Э.; Салдарриага, М. (2014). «Новые источники гравитационных волн во время инфляции». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2014 (8): 016. arXiv : 1109.0542 . Бибкод : 2014JCAP...08..016S . дои : 10.1088/1475-7516/2014/08/016 . S2CID 118619414 .
- ^ Дайсон, Фриман (8 октября 2013 г.). «Можно ли обнаружить гравитон?». Международный журнал современной физики А. 28 (25): 1330041–1–1330035–14. Бибкод : 2013IJMPA..2830041D . дои : 10.1142/S0217751X1330041X .
- ^ Уилл, СМ (1998). «Ограничение массы гравитона с помощью гравитационно-волновых наблюдений за спиралевидными компактными двойными звездами» (PDF) . Физический обзор D . 57 (4): 2061–2068. arXiv : gr-qc/9709011 . Бибкод : 1998PhRvD..57.2061W . doi : 10.1103/PhysRevD.57.2061 . S2CID 41690760 . Архивировано (PDF) из оригинала 24 июля 2018 г.
- ^ Триппе, Саша (2012). «Упрощенное рассмотрение гравитационного взаимодействия в галактических масштабах». Журнал Корейского астрономического общества . 46 (1): 41–47. arXiv : 1211.4692 . Бибкод : 2013JKAS...46...41T . дои : 10.5303/JKAS.2013.46.1.41 .
- ^ Платшер, Мориц; Смирнов Юрий; Мейер, Свен; Бартельманн, Матиас (2018). «Дальнодействующие эффекты в теориях гравитации с экранированием Вайнштейна». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2018 (12): 009. arXiv : 1809.05318 . Бибкод : 2018JCAP...12..009P . дои : 10.1088/1475-7516/2018/12/009 . S2CID 86859475 .
- ^ Сокаль А. (22 июля 1996 г.). «Пока не дергайте за веревочку в теории суперструн» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 26 марта 2010 г.
Внешние ссылки [ править ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
