Interested Article - Гравитон
- 2021-05-19
- 1
Гравито́н — гипотетическая безмассовая элементарная частица — переносчик гравитационного взаимодействия и квант гравитационного поля без электрического и других зарядов (однако обладает энергией и поэтому участвует в гравитационном взаимодействии). Должен обладать спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации . Предположительно, всегда движется со скоростью света .
Термин «гравитон» был предложен в 1930-х годах, часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина .
Гипотеза о существовании гравитонов появилась как следствие принципа корпускулярно-волнового дуализма для описания гравитационного поля и успехов квантовой теории поля (особенно Стандартной модели ) в моделировании поведения остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии , глюоны в сильном взаимодействии , W ± и Z-бозоны в слабом взаимодействии . Следуя этой аналогии — за гравитационное взаимодействие также может отвечать некая элементарная частица .
Возможно также, что гравитоны являются квазичастицами , удобными для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени, существенно больших планковской длины и планковского времени , но непригодными для описания сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским.
В различных теориях
Предполагаемый спин гравитона равен по той причине, что плоская гравитационная волна носит квадрупольный характер, переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению распространения. Также это следует из числа независимых компонент волновых функций гравитационного поля, которые являются гравитационными потенциалами. Из десяти компонент тензора гравитационного потенциала вследствие равенства нулю следа и четырёх дополнительных условий калибровки (аналогичных калибровке Лоренца в электродинамике) остаётся независимых компонент. Вследствие формулы , связывающей значение спина с числом компонент волновых функций поля , получаем значение спина гравитона .
С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности сил гравитации и инерции является следствием требования Лоренц-инвариантности для гравитонов (безмассовых частиц со спином ), так как требование Лоренц-инвариантности приводит к калибровочной инвариантности теории, а принцип общей ковариантности , являющийся обобщением принципа калибровочной инвариантности, есть математическое выражение принципа эквивалентности .
Попытки расширить Стандартную модель гравитонами сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий (равных или превышающих планковскую энергию ) из-за расходимостей квантовых эффектов (гравитация не ренормализуется ). Другой проблемой является то, что при математическом описании полей, описывающих элементарные частицы с целым спином, положительно определённую плотность энергии можно ввести только для частиц со спином и , а гравитон имеет спин .
Решение этих вопросов было мотивом построения нескольких предложенных теорий квантовой гравитации (в частности, одной из попыток является теория струн ). Несмотря на отсутствие в настоящее время полноценной теории квантовой гравитации, возможно квантование слабых возмущений заданного гравитационного поля в первом порядке по теории возмущений. В рамках такой линеаризованной теории элементарным возбуждением и является гравитон .
В теориях супергравитации также вводится гравитино (спин — 3 / 2 ) — суперпартнёр гравитона.
В струнной теории гравитоны, также как и другие частицы — это состояния струн, а не точечные частицы, и в этом случае бесконечности не появляются. В то же время при низких энергиях эти возбуждения можно рассматривать как точечные частицы. То есть гравитон, как и прочие элементарные частицы — это некоторое приближение к реальности, которое можно использовать в области низких энергий.
Согласно теории петлевой квантовой гравитации , гравитоны представляют собой кванты смещений пространства-времени .
Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации . В некоторых из них гравитон обладает массой .
Считается, что плотность энергии реликтовых гравитонов, образовавшихся в первые секунд после Большого Взрыва , в настоящее время составляет примерно от плотности энергии реликтовых фотонов.
По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распаде , рассеянии элементарных частиц , аннигиляции электронно-позитронных пар , при эффекте Комптона , при столкновениях адронов высоких энергий .
Смещение перигелия Меркурия , с точки зрения представления о гравитоне, объясняется вкладом в гравитационное взаимодействие Меркурия и Солнца процессов, описываемых на языке диаграмм Фейнмана диаграммами с взаимодействием виртуальных гравитонов между собой
имеет спин 1 .
Экспериментальные и наблюдательные исследования
Из-за чрезвычайной слабости гравитационных взаимодействий экспериментальное подтверждение существования гравитона (то есть обнаружение отдельных свободно распространяющихся гравитонов) согласно предсказывающим существование гравитонов теориям ( теория струн , квантованная линеаризованная общая теория относительности и др.) в настоящее время не представляется возможным, поскольку образование реальных гравитонов станет заметным лишь при энергиях взаимодействия в системе центра масс сталкивающихся частиц порядка планковской энергии .
Тем не менее, если теории девятимерного пространства со скрытыми размерностями окажутся правильными, то ожидается, что гравитоны можно будет обнаружить по энергии, которую они уносят после образования в процессах столкновения элементарных частиц при энергиях 100 ТэВ .
11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO было объявлено о первом прямом наблюдении гравитационных волн . По данным этой регистрации гравитационных волн, их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном (верхнее ограничение на массу гравитона m g было оценено как 1,2 × 10 −22 эВ/ c 2 , комптоновская длина волны гравитона λ g = h/cm g не ниже 10 13 км) , а скорость гравитационных волн равна скорости света в пределах точности измерений .
Существует также более жёсткая, но и более модельно зависимая оценка верхнего предела на массу гравитона m g < 2 × 10 −62 г (или 1,1 × 10 −29 эВ/ c 2 ) . Она вытекает из наблюдаемой протяжённости гравитационных полей галактических скоплений в пространстве и основана на том, что при наличии массы у бозона-переносчика поля потенциал взаимодействия убывает с расстоянием не по закону r −1 (как в случае безмассовых полей), а значительно быстрее, пропорционально r −1 exp(− rm g c/h ) ( потенциал Юкавы ).
Из наблюдений GW170817 получена оценка нижней границы времени жизни гравитона — 4,5 × 10 8 лет .
Гравитон в массовой культуре
Тема управления гравитацией часто используется в качестве фантастического допущения в научной фантастике (в частности, как технология, делающая доступными космические путешествия ), иногда при этом упоминаются и гравитоны . Так, в космической опере « » А. Колпакова , написанной в начале 1960-х годов, звездолёт «Урания» снабжён гравитонным двигателем
В культовом фантастическом телесериале « Звёздный путь » зведолёты снабжены технологиями на основе гравитонов , такими, как искусственная гравитация, навигационный дефлектор, низкоуровневые силовые поля и т. д. При этом, как отметил Лоуренс Краусс , при описании таких технологий, как « эмиссия когерентных гравитонов», применяемая для искривления пространства, авторы по крайней мере используют адекватную с точки зрения современной физики терминологию .
В качестве элемента антуража гравитоны встречаются и в других фантастических произведениях, к примеру, в фильме « После нашей эры » во время полёта на Землю в корпусе звездолёта возникает вибрация гравитонов, что вызывает расширение масс, и, в свою очередь, притягивает астероидный поток .
Название « » носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год .
См. также
- Гравитационные волны
- Квантовая гравитация
- Гравитино
- Gravitonas — шведская поп-группа
Источники
- (неопр.) . Дата обращения: 28 октября 2014. 15 июля 2015 года.
- ↑ Мостепаненко В. , д.ф.-м.н. Эффект Казимира // Наука и жизнь. — 1989. — № 12. — С. 144-145.
- ↑ Goldhaber A. S., Nieto M. M. Mass of the graviton // Physical Review D. — 1974. — Vol. 9. — P. 1119—1121. — ISSN . — doi : . [ ]
- ↑ ArXiv.org Kris Pardo, Maya Fishbach, Daniel E. Holz, David N. Spergel от 3 ноября 2019 на Wayback Machine
-
Rovelli, C. (2001). "Notes for a brief history of quantum gravity".
arXiv
: .
{{ cite arXiv }}
:|class=
игнорируется ( справка ) - Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии (неопр.) // Под знаменем марксизма . — 1934. — Т. 6 . — С. 147—157 . (рус.)
- Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии. «Под знаменем марксизма», 6 (1934) 147—157.
- Горелик Г. Е. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 2005. — Т. 175 , вып. 10 . — С. 1093—1108 . — doi : . 9 марта 2008 года.
- ↑ ПостНаука 5 июня 2015 г. Сергей Блинников от 22 сентября 2018 на Wayback Machine
-
Вопрос о сопоставлении корпускул в общем случае нелинейного, не слабого поля пока что недостаточно ясен. Действительно, до сих пор кванты поля (фотоны, гравитоны и т. д.) возникают всегда в линейном приближении, когда каждой парциальной элементарной волне сопоставлялась частица. Таким образом, по-видимому, в области нелинейной теории обычное понимание частиц в какой-то мере теряет смысл и должно быть соответственным образом пересмотрено.
-
Что вообще следует понимать под частицей в присутствии неинвариантного физического вакуума (или внешнего поля)? Окончательный ответ на него пока не дан.
- Паули В. Релятивистская теория элементарных частиц. — М.: ИЛ, 1947. — С. 72
- Соколов А. , Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 662.
- , с. 312.
- , с. 337.
-
S. Weinberg от 22 апреля 2019 на
Wayback Machine
, Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
S. Weinberg от 22 апреля 2019 на Wayback Machine , II, Massless particles, Ib, 134, B882-896 (1964)
S. Weinberg от 9 декабря 2019 на Wayback Machine , Ib, 135, B1049-1056 (1964)
S. Weinberg от 24 марта 2020 на Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965) - Ахиезер А. И. , Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1969. — С. 174.
-
DeWitt B.
Quantum theory of gravity I // Physical Review 160, 1113—1148 (1967).
DeWitt B. Quantum theory of gravity II: the manifestly covariant theory // Physical Review 162, 1195—1239 (1967).
DeWitt B. Quantum theory of gravity III: application of the covariant theory // Physical Review 162, 1239—1256 (1967).
Систематическое изложение: Девитт Б. С. Динамическая теория групп и полей: Пер. с англ. / Под ред. Г. А. Вилковыского. — М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987. — 288 с.
репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-ПРЕСС, 2000. ISBN 5-11-480064-7 . - О. О. Фейгин от 4 мая 2017 на Wayback Machine // Химия и жизнь . — 2015. — № 10 — Элементы.ру
- Рубаков В. А., Тиняков П. Г. от 14 апреля 2015 на Wayback Machine , УФН , 178, с. 813, (2008)
- Зельдович Я. Б. , Новиков И. Д. Рождение гравитонов на ранних стадиях расширения горячей модели // Релятивистская астрофизика. — М.: Наука, 1967. — С. 497—500.
- , с. 276.
- , с. 278.
- Yu. S. Vladimirov Annihilation of an Electron-Positron Pair into Two Gravitons // JETP . — 1963. — Том 16, Вып. 1. — C. 65 — URL: от 7 апреля 2022 на Wayback Machine
- N.A. Voronov Gravitational Compton effect and photoproduction of gravitons by electrons // JETP . — 1973. — Том 37, Вып. 6. — C. 953 — URL:
- I. Yu. Kobzarev, P.I. Peshkov Graviton emission in collisions of high-energy hadrons // JETP . — 1975. — Том 40, Вып. 2. — C. 213 — URL:
- Лев Окунь от 4 мая 2017 на Wayback Machine // Доклад на Президиуме РАН 27 октября 2009 г. — Элементы.ру
- Бурундуков А. С. Взаимодействие гравитонов высоких энергий с фермионами. — Владивосток, 1993. — ISBN 5744205080 .
- Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — 707 с. — 100 000 экз.
- Алексей Левин от 11 июня 2017 на Wayback Machine // Популярная механика . — 2014. — № 5 — Элементы.ру
- Игорь Иванов. (рус.) Элементы Большой Науки (11 февраля 2016). Дата обращения: 14 февраля 2016. 14 февраля 2016 года.
- Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2016. — Vol. 116 , no. 6 . — doi : . 25 октября 2019 года.
- (неопр.) . Дата обращения: 23 февраля 2016. Архивировано из 4 марта 2016 года.
- (неопр.) . Дата обращения: 23 февраля 2016. 19 апреля 2019 года.
- от 15 февраля 2016 на Wayback Machine // meduza.io
- Brian Stableford . Gravity // Science Fact and Science Fiction: An Encyclopedia. — Routledge, 2006. — С. 220—222. — 730 с. — ISBN 9780415974608 .
- Евгений Харитонов. (неопр.) . recensent.ru. Дата обращения: 3 марта 2016. 5 марта 2016 года.
- , Graviton, p. 177.
- , Ch. 4. Data Ends the Game, p. 72.
- — статья из The Encyclopedia of Science Fiction
- Евгений Харитонов . (неопр.) . Лаборатория Фантастики . Дата обращения: 5 апреля 2016. 24 февраля 2022 года.
Литература
- Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — 707 с. — 100 000 экз.
- Барвинский А О , УФН , 175, с. 569—601, (2005)
- Рубаков В. А., Тиняков П. Г. , УФН , 178, с. 813, (2008)
- Вейнберг, C. Квантовая теория полей, т. 1. — М. : Мир, 2001. — 800 с.
- Вейнберг, C. Гравитация и космология. — М. : Мир, 1975. — 696 с.
- Michael Okuda, Denise Okuda, Doug Drexler. The Star Trek Encyclopedia: A Reference Guide to the Future. — Pocket Books, 1999. — 752 с. — ISBN 978-0671536091 .
- Lawrence M. Krauss . . — Basic Books, 2007. — С. 72. — 282 с. — ISBN 0-465-00863-1 .
- Фейнман, Р. Ф. , Мориниго Ф. Б., Вагнер У. Г. Фейнмановские лекции по гравитации. — М. : Янус-К, 2000. — 296 с. — ISBN 5-8037-0049-5 .
- 2021-05-19
- 1