Гравитация
| Состав | Элементарная частица |
|---|---|
| Статистика | Статистика Бозе – Эйнштейна |
| Семья | бозон со спином 2 |
| Взаимодействия | Гравитация |
| Статус | 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 |
теориях квантовой гравитации гравитон — это гипотетический квант гравитации В , элементарная частица , которая является 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 делают гравитационные взаимодействия. Этот результат предполагает, что если будет обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон. [5]
Теория
[ редактировать ]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]
История
[ редактировать ]
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 Федором в 1934 году [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 фотоны , 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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]
Энергия и длина волны
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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, детектор с массой Юпитера и 100% эффективностью, размещенный на близкой орбите вокруг нейтронной звезды , должен был бы 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
[ редактировать ]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 не перенормируема . 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
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ G используется, чтобы не путать с глюонами (символ g)
- ^ Ровелли, К. (2001). «Заметки к краткой истории квантовой гравитации». arXiv : gr-qc/0006061 .
- ^ Jump up to: 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 др. ( 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: раскрытие скрытых измерений Вселенной . Экко Пресс . ISBN 0-06-053108-8 .
- ^ Jump up to: 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 др. (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 др. ( 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Jump up to: 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): 061102.arXiv : 1602.03837 . 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 .
- ^ Платчер, 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
[ редактировать ]
- Гравитон в программе «В наше время » на BBC
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
