Википедија

Гравитон

Во теориите на квантната гравитација, гравитонот е хипотетичкиот квантум на гравитација, елементарна честичка која ja посредува силата на гравитација. Не постои комплетна квантна теорија на полето на гравитони поради исклучителен математички проблем со ренормализација во општата релативност . Во теоријата на струни, за која се верува дека е постојана теорија за квантната гравитација, гравитонот е безмасната состојба на фундаментална низа.

Гравитон
СоставElementary particle
СтатистикаBose–Einstein statistics
ЗаемодејстваGravitation
СтатусHypothetical
СимболG[1]
АнтичестичкаSelf
Предвиденна1930s[2]
The name is attributed to Dmitrii Blokhintsev and F. M. Gal'perin in 1934[3]
Маса0
Среден животStable
Ел. полнеж0 e
Спин2

Ако постои, гравитонот се очекува да биде безмасен, бидејќи гравитациската сила е многу долга и се движи со брзината на светлината. Гравитонот мора да биде спин -2 бозон бидејќи изворот на гравитација е стрес-енергетски тензор, тензор од втор ред(во споредба со електромагнетизмот е спин-1 фотон, изворот на кој е четири-струја, на прва тензор на редот). Дополнително, може да се покаже дека секое безмасно поле на спин-2 ќе доведе до сила различна од гравитацијата, бидејќи полето на безмасно спин-2 би се поврзало со тензорот на тензијата на енергијата на истиот начин како и гравитациските интеракции. Овој резултат сугерира дека, ако се открие безбројна сплин-2 честичка, таа мора да биде гравитон.[4]

Теорија

уреди

Се претпоставува дека гравитациските интеракции се посредувани од уште неоткриена елементарна честичка, наречена гравитон . Трите други познати сили на природата се посредувани од елементарните честички: електромагнетизмот од фотонот, силната интеракција на глуони и слабата интеракција на W и Z бозоните . Се чини дека сите три од овие сили се прецизно опишани од стандардниот модел на физиката на честички. Во класичната граница, успешната теорија на гравитоните би се намалила на општата релативност, која сама се сведува на гравитацискиот закон на Њутн во ограничувањето на слабото поле.[5][6][7]

Терминот гравитон првично бил измислен во 1934 година од советските физичари Дмитриј Блохинцев и Ф. Галперин.

Гравитони и ренормализација

уреди

Кога се опишуваат гравитонските интеракции, класичната теорија на Фейнманови дијаграми и полукласичните исправки како што се еден циклусните дијаграми се однесуваат нормално. Сепак, дијаграмите на Фајнман со најмалку две јамки доведуваат до ултравиолетови дивергенции . Овие бесконечни резултати не може да се отстранат бидејќи определената општа релативност не е растројствено пренормализирано, за разлика од квантната електродинамика и модели како теоријата Јанг-Милс . Затоа, непроценливи одговори се најдени од методот на растројување со кој физичарите ја пресметуваат веројатноста на честичката да емитира или апсорбира гравитони, а теоријата ја губи предвидливата веродостојност. Овие проблеми и рамката за комплементарна апроксимација се основа да покажат дека е потребна теорија која е повеќе унифицирана од квантизирана општа релативност за да се опише однесувањето во близина на скалата на Планк .

Споредба со други сили

уреди

Како и носителите на сили на другите сили (види обвиткана црна дупка ), гравитацијата игра улога во општа релативност, при дефинирање на времетраењето во кое се случуваат настаните. Во некои описи енергијата ја модифицира "обликот" на самиот простор, а гравитацијата е резултат на оваа форма, идеја која на прв поглед може да се тешко да се совпадне со идејата за сила која делува меѓу честички.[8] Бидејќи диффеоморфизната инвариантност на теоријата не дозволува некоја посебна просторна временска позадина да биде издвоена како "вистинска" простор-временска позадина, општата релативност се вели дека е независна од позадина . Спротивно на тоа, Стандардниот модел не е независен од позадина, Minkowski простор има посебен статус како фиксна позадина во време-просторот.[9] Потребна е теорија за квантната гравитација со цел да се помират овие разлики.[10] Дали оваа теорија треба да биде независна од позадина е отворено прашање. Одговорот на ова прашање ќе го одреди нашето разбирање за тоа каква специфична улога игра гравитацијата во судбината на универзумот.[10]

Гравитони во шпекулативни теории

уреди

Теоријата на струни предвидува постоење на гравитони и нивни добро дефинирани интеракции . Гравитон во растројната теорија на струни е затворена струна во една особено ниска енергетска вибрациона состојба. Распрснувањето на гравитоните во теоријата на струни, исто така, може да се пресмета од корелационите функции во конформната теорија на полето, како што е диктирано со кореспонденцијата на AdS / CFT или од теоријата на матрици . [се бара извор]

Карактеристично за гравитоните во теоријата на низи е дека, како затворени низи без крајни точки, тие не би биле врзани за бранчиња и би можеле слободно да се движат меѓу нив. Ако живееме на бранови (како што се претпоставува од теориите на брановите ), ова "истекување" на гравитоните од браната во повисоко-димензионален простор може да објасни зошто гравитацијата е толку слаба сила, а гравитоните од другите одбрани во непосредна близина на нашата потенцијално дава објаснување за темната материја . Меѓутоа, ако гравитоните целосно се движат помеѓу браните, ова премногу ќе ја разредува гравитацијата, предизвикувајќи кршење на Њутоновиот закон за обратен квадрат. За да се бори против ова, Лиза Рендал открила дека тројна брана (како што е нашата) ќе има свое гравитациско повлекување, спречувајќи слободно движење на гравитоните, што може да резултира со разредена гравитација што ја набљудуваме, додека грубо го одржуваме квадратниот закон на Њутн.[11] Види космологија Бране .

Теоријата на Ахмед Фараг Али и Саури Дас додава квант механички исправки (со користење на Бохм траекториите) на општата релативистичка геодезија. Ако на гравитоните им се даде мала, но не нула маса, може да ја објасни космолошката константа без потреба од темна енергија и да го реши проблемот со големината .[12] Теоријата доби пофалба во натпреварот за есеј за 2014 на Фондацијата за истражување на гравитацијата за објаснување на големината на космолошката константа.[13] Исто така, теоријата доби пофалба во натпреварот за есеј на 2015 на Фондацијата за истражување на гравитацијата за природно објаснување на забележаната хомогеност и изотопија на универзумот од големи размери, поради предложените квантни исправки.[14]

Енергија и бранова должина

уреди

Додека гравитоните се претпоставуваат дека се безмасни, тие сепак ќе носат енергија, како и секоја друга квантна честичка. Енергијата на фотонот и енергијата на глуон се исто така пренесени од безмасени честички. Не е јасно кои променливи можат да ја одредат гравитонската енергија, количината на енергија која ја носи еден гравитон.

Алтернативно, ако гравитоните воопшто се масивни, анализата на гравитациските бранови дава нова горна граница на масата на гравитоните. Комптонската должина на Гравитон е најмалку 1,6⋅1016 m или околу 1,6 светлосни години, што одговара на гравитонска маса не поголема од 7,7 .[15] Оваа врска помеѓу брановата должина и масата на енергија се пресметува со односот Планк-Ајнштајн, истата формула која ја поврзува електромагнетната бранова должина со енергијата на фотонот . Меѓутоа, ако гравитоните се квантите на гравитациски бранови, тогаш односот помеѓу брановата должина и соодветната енергија на честичката е фундаментално различен за гравитоните отколку за фотоните, бидејќи комптоновската бранова должина на гравитонот не е еднаква на бранова должина на гравитацискиот бранот. Наместо тоа, ниската гравитонска Комптон бранова должина е околу 9 пати поголема од гравитациската бранова должина за настанот GW170104, кој изнесуваше 1.700 км. Во извештајот [15] не елаборира изворот на овој однос. Можно е гравитоните да не се квантите на гравитациски бранови, или дека двата феномени се поврзани на поинаков начин.

Експериментално набљудување

уреди

Недвосмисленото откривање на поединечните гравитони, иако не е забрането со било кој основен закон, е невозможно со физички разумен детектор.[16] Причината е исклучително нискиот напречен пресек за интеракцијата на гравитоните со материјата. На пример, детектор со масата на Јупитер и 100% ефикасност, сместен во блиска орбита околу неутронска ѕвезда, би се очекувало да набљудува еден гравитон на секои 10 години, дури и во најповолни услови. Би било невозможно да се дискриминираат овие настани од позадината на неутрината, бидејќи димензиите на потребниот неутрински штит ќе обезбедат колапс во црна дупка .[16]

Набљудувањата на LIGO и Virgo соработки директно ги откриле гравитациските бранови .[17][18][19] Други претпоставуваа дека гравитоното расејување дава гравитациски бранови, бидејќи интеракциите на честички даваат кохерентни состојби .[20] Иако овие експерименти не можат да ги детектираат поединечните гравитони, тие можат да обезбедат информации за одредени својства на гравитонот.[21] На пример, ако гравитациските бранови биле забележани како патуваат побавно од в ( брзината на светлината во вакуум), тоа би значело дека гравитонот има маса (сепак, гравитациските бранови мора да патуваат побавно од в во регион со не-нула маса густина ако тие треба да бидат откриени).[22] Неодамнешните набљудувања на гравитациските бранови ја поставуваат горната граница од 1,2 на масата на гравитонот.[17] Астрономските набљудувања на кинематиката на галаксиите, особено проблемот со ротацијата на галаксијата и изменетата Њутнова динамика, би можеле да укажат на гравитони кои немаат нула маса.[23]

Тешкотиите и отворените прашања

уреди

Повеќето теории што содржат гравитони, страдаат од тешки проблеми. Обидите да се прошират Стандардниот модел или други квантни теории на полето со додавање на гравитони, влегуваат во сериозни теоретски тешкотии во енергијата близу до или над скалата на Планк . Ова е поради бесконечностите кои произлегуваат поради квантните ефекти; технички, гравитацијата не е ренормализирана . Бидејќи класичната општа релативност и квантната механика се чини дека се некомпатибилни во таквите енергии, од теоретска гледна точка, оваа ситуација не може да се одржи. Едно можно решение е да се заменат честички со низи . Теориите на струни се квантните теории за гравитацијата во смисла дека тие се сведуваат на класичната општа релативност плус теорија на полето при ниски енергии, но се целосно квантната механика, содржат гравитон и се смета дека се математички доследни.[24]

Поврзано

уреди
  1. ↑ G is used to avoid confusion with gluons (symbol g)
  2. ↑ Rovelli, C. (2001). „Notes for a brief history of quantum gravity“. arXiv:gr-qc/0006061.
  3. ↑ Blokhintsev, D. I.; Gal'perin, F. M. (1934). „Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии“ [Neutrino hypothesis and conservation of energy]. Pod Znamenem Marxisma (руски). 6: 147–157.
  4. ↑ For a comparison of the geometric derivation and the (non-geometric) spin-2 field derivation of general relativity, refer to box 18.1 (and also 17.2.5) of Misner, C. W.; Thorne, K. S.; Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0344-0.
  5. ↑ Feynman, R. P.; Morinigo, F. B.; Wagner, W. G.; Hatfield, B. (1995). Feynman Lectures on Gravitation. Addison-Wesley. ISBN 0-201-62734-5.
  6. ↑ Zee, A. (2003). Quantum Field Theory in a Nutshell. Princeton University Press. ISBN 0-691-01019-6.
  7. ↑ Randall, L. (2005). Warped Passages: Unraveling the Universe's Hidden Dimensions. Ecco Press. ISBN 0-06-053108-8.
  8. ↑ See the other articles on General relativity, Gravitational field, Gravitational wave, etc
  9. ↑ Colosi, D.; и др. (2005). „Background independence in a nutshell: The dynamics of a tetrahedron“. Classical and Quantum Gravity. 22 (14): 2971–2989. arXiv:gr-qc/0408079. Bibcode:2005CQGra..22.2971C. doi:10.1088/0264-9381/22/14/008.
  10. ↑ 10,0 10,1 Бот набргу ќе го дополни овој навод. Click here to jump the queue arXiv:[1].
  11. ↑ Kaku, Michio (2006) Parallel Worlds – The science of alternative universes and our future in the Cosmos. Doubleday. pp. 218–221. ISBN 978-0385509862.
  12. ↑ Ali, Ahmed Farag (2014). „Cosmology from quantum potential“. Physics Letters B. 741: 276–279. arXiv:1404.3093v3. Bibcode:2015PhLB..741..276F. doi:10.1016/j.physletb.2014.12.057.
  13. ↑ Das, Saurya (2014). „Cosmic coincidence or graviton mass?“. International Journal of Modern Physics D. 23 (12): 1442017. arXiv:1405.4011. Bibcode:2014IJMPD..2342017D. doi:10.1142/S0218271814420176.
  14. ↑ Das, Saurya (2015). „Bose–Einstein condensation as an alternative to inflation“. International Journal of Modern Physics D. 24 (12): 1544001–219. arXiv:1509.02658. Bibcode:2015IJMPD..2444001D. doi:10.1142/S0218271815440010.
  15. ↑ 15,0 15,1 B. P. Abbott; и др. (1 June 2017). „GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2“. Physical Review Letters. 118: 221101. arXiv:1706.01812. Bibcode:2017PhRvL.118v1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.118.221101.
  16. ↑ 16,0 16,1 Rothman, T.; Boughn, S. (2006). „Can Gravitons be Detected?“. Foundations of Physics. 36 (12): 1801–1825. arXiv:gr-qc/0601043. Bibcode:2006FoPh...36.1801R. doi:10.1007/s10701-006-9081-9.
  17. ↑ 17,0 17,1 Abbott, B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). „Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger“. Physical Review Letters. 116 (6): 061102. arXiv:1602.03837. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. PMID 26918975.
  18. ↑ Castelvecchi, Davide; Witze, Witze (February 11, 2016). „Einstein's gravitational waves found at last“. Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361.
  19. ↑ „Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction | NSF - National Science Foundation“. www.nsf.gov. Посетено на 2016-02-11.
  20. ↑ Senatore, L.; Silverstein, E.; Zaldarriaga, M. (2014). „New sources of gravitational waves during inflation“. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2014 (8): 016. arXiv:1109.0542. Bibcode:2014JCAP...08..016S. doi:10.1088/1475-7516/2014/08/016.
  21. ↑ Dyson, Freeman (8 October 2013). „Is a Graviton Detectable?“. International Journal of Modern Physics A. 28 (25): 1330041–1–1330035–14. Bibcode:2013IJMPA..2830041D. doi:10.1142/S0217751X1330041X.
  22. ↑ Will, C. M. (1998). „Bounding the mass of the graviton using gravitational-wave observations of inspiralling compact binaries“ (PDF). Physical Review D. 57 (4): 2061–2068. arXiv:gr-qc/9709011. Bibcode:1998PhRvD..57.2061W. doi:10.1103/PhysRevD.57.2061.
  23. ↑ Trippe, S. (2013), "A Simplified Treatment of Gravitational Interaction on Galactic Scales", J. Kor. Astron. Soc. 46, 41. arXiv:1211.4692
  24. ↑ Sokal, A. (July 22, 1996). „Don't Pull the String Yet on Superstring Theory“. The New York Times. Посетено на March 26, 2010.

Надворешни врски

уреди
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Гравитон&oldid=5276659“