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 ${\displaystyle 2}$ 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 ${\displaystyle n=5}$ независимых компонент. Вследствие формулы ${\displaystyle n=2s+1}$ , связывающей значение спина ${\displaystyle s}$ с числом компонент волновых функций поля ${\displaystyle n}$ , получаем значение спина гравитона ${\displaystyle s=2}$ .

С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности сил гравитации и инерции является следствием требования Лоренц-инвариантности для гравитонов (безмассовых частиц со спином ${\displaystyle 2}$ ), 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 ${\displaystyle 0}$ и ${\displaystyle 1}$ , а гравитон имеет спин ${\displaystyle 2}$ .

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 ${\displaystyle 10^{-43}}$ секунд после Большого Взрыва , в настоящее время составляет примерно ${\displaystyle 2-10\%}$ 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

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 .