Русская Википедия:Гравитон

Материал из Онлайн справочника
Версия от 10:52, 13 августа 2023; EducationBot (обсуждение | вклад) (Новая страница: «{{Русская Википедия/Панель перехода}} {{Информация о частице | цвет_фона = | имя = Гравитон | символ = {{SubatomicParticle|Гравитон}} | num_types = | состав = Элементарная частица | семья = Бозон | античастица = Сам себе ({{SubatomicParticle|гравитон}}), по другим...»)
(разн.) ← Предыдущая версия | Текущая версия (разн.) | Следующая версия → (разн.)
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Информация о частице 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[1][2].

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[3].

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.[4][5]

В различных теориях

Предполагаемый спин гравитона равен <math>2</math> 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 <math>n=5</math> независимых компонент. Вследствие формулы <math>n=2s+1</math>,[6] связывающей значение спина <math>s</math> с числом компонент волновых функций поля <math>n</math>, получаем значение спина гравитона <math>s=2</math>[7]. Шаблон:Таблица элементарных частиц

С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности сил гравитации и инерции является следствием требования Лоренц-инвариантности для гравитонов (безмассовых частиц со спином <math>2</math>), так как требование Лоренц-инвариантности приводит к калибровочной инвариантности теории, а принцип общей ковариантности, являющийся обобщением принципа калибровочной инвариантности, есть математическое выражение принципа эквивалентностиШаблон:SfnШаблон:Sfn[8].

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 <math>0</math> и <math>1</math>, а гравитон имеет спин <math>2</math>[9].

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[10].

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[11].

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации. В некоторых из них гравитон обладает массой[12].

Считается, что плотность энергии реликтовых гравитонов, образовавшихся в первые <math>10^{-43}</math> секунд после Большого Взрыва, в настоящее время составляет примерно <math>2 - 10 \%</math> от плотности энергии реликтовых фотонов.[13]

По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распадеШаблон:Sfn, рассеянии элементарных частицШаблон:Sfn, аннигиляции электронно-позитронных пар[14], при эффекте Комптона[15], при столкновениях адронов высоких энергий[16].

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[17]

Антигравитон имеет спин 1[18].

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[19][20][3].

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[21].

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO было объявлено о первом прямом наблюдении гравитационных волн[22]. По данным этой регистрации гравитационных волн, их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном (верхнее ограничение на массу гравитона Шаблон:Math было оценено как 1,2 × 10−22 эВ/Шаблон:Math, комптоновская длина волны гравитона Шаблон:Math не ниже 1013 км)[23][24][25], а скорость гравитационных волн равна скорости света в пределах точности измерений[26].

Существует также более жёсткая, но и более модельно зависимая оценка верхнего предела на массу гравитона Шаблон:Math < 2 × 10−62 г (или 1,1 × 10−29 эВ/Шаблон:Math)[27]. 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 Шаблон:Math (как в случае безмассовых полей), а значительно быстрее, пропорционально Шаблон:Math (потенциал Юкавы).

Из наблюдений GW170817 получена оценка нижней границы времени жизни гравитона — 4,5 × 108 лет.[28]

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[29]. Так, в космической опере «Гриада» А. Колпакова, написанной в начале 1960-х годов, звездолёт «Урания» снабжён гравитонным двигателем[30]

В культовом фантастическом телесериале «Звёздный путь» зведолёты снабжены технологиями на основе гравитоновШаблон:Sfn, 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 терминологиюШаблон:Sfn.

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[31].

Название «Гравитон» носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год[32].

См. также

Источники

Шаблон:Примечания

Литература

Внешние ссылки

  1. ↑ Блохинцев Д. И., Гальперин Ф. М. Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии. «Под знаменем марксизма», 6 (1934) 147—157.
  2. ↑ Шаблон:Статья
  3. ↑ 3,0 3,1 ПостНаука 5 июня 2015 г. Сергей Блинников Что такое гравитон? Шаблон:Wayback
  4. ↑ Шаблон:Начало цитатыВопрос 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.Шаблон:Конец цитатыСоколов А.,Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 656.
  5. ↑ Шаблон:Начало цитатыЧто вообще следует понимать под частицей в присутствии неинвариантного физического вакуума (или внешнего поля)? Окончательный ответ на него пока не дан.Шаблон:Конец цитатыИваненко Д. Д., Сарданишвили Г. А. Гравитация. — М.: ЛКИ, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2 — С. 163.
  6. ↑ Паули В. Релятивистская теория элементарных частиц. — М.: ИЛ, 1947. — С. 72
  7. ↑ Соколов А., Иваненко Д. Квантовая теория поля. — М.: ГИТТЛ, 1952. — С. 662.
  8. ↑ S. Weinberg Feynman rules for any spin, I Шаблон:Wayback, Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman rules for any spin Шаблон:Wayback, II, Massless particles, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in S-matrix theory: derivation of charge conservation and equality of gravitational and inertial mass Шаблон:Wayback, Ib, 135, B1049-1056 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in perturbation theory: derivation of Maxwell’s and Einstein’s equations, Шаблон:Wayback Ib, 138, B988-1002 (1965)
  9. ↑ Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1969. — С. 174.
  10. ↑ 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. — Шаблон:М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987. — 288 с.
    репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-ПРЕСС, 2000. ISBN 5-11-480064-7.
  11. ↑ О. О. Фейгин Столетний юбилей ОТО Шаблон:Wayback // Химия и жизнь. — 2015. — № 10 — Элементы.ру
  12. ↑ Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон» Шаблон:Wayback, УФН, 178, с. 813, (2008)
  13. ↑ Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Рождение гравитонов на ранних стадиях расширения горячей модели // Релятивистская астрофизика. — М.: Наука, 1967. — С. 497—500.
  14. ↑ Yu. S. Vladimirov Annihilation of an Electron-Positron Pair into Two Gravitons // JETP. — 1963. — Том 16, Вып. 1. — C. 65 — URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Шаблон:Wayback
  15. ↑ N.A. Voronov Gravitational Compton effect and photoproduction of gravitons by electrons // JETP. — 1973. — Том 37, Вып. 6. — C. 953 — URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  16. ↑ I. Yu. Kobzarev, P.I. Peshkov Graviton emission in collisions of high-energy hadrons // JETP. — 1975. — Том 40, Вып. 2. — C. 213 — URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  17. ↑ Лев Окунь Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи Шаблон:Wayback // Доклад на Президиуме РАН 27 октября 2009 г. —Элементы.ру
  18. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок автоссылка1 не указан текст
  19. ↑ Шаблон:Книга
  20. ↑ Шаблон:Физическая энциклопедия
  21. ↑ Алексей Левин Пушка гравитонного калибра Шаблон:Wayback // Популярная механика. — 2014. — № 5 — Элементы.ру
  22. ↑ Шаблон:Cite web
  23. ↑ Шаблон:Статья
  24. ↑ Шаблон:Cite web
  25. ↑ Шаблон:Cite web
  26. ↑ Ученые зафиксировали предсказанные Эйнштейном гравитационные волны Шаблон:Wayback // meduza.io
  27. ↑ Шаблон:Cite doi
  28. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок автоссылка2 не указан текст
  29. ↑ Шаблон:Книга
  30. ↑ Шаблон:Cite web
  31. ↑ Шаблон:Sfe
  32. ↑ Шаблон:Cite web

Шаблон:Выбор языка Шаблон:Гипотетические частицы

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Гравитон&oldid=9611755