Гравитон

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 ${\displaystyle n=2s+1}$,[12] связывающей значение спина ${\displaystyle s}$ с числом компонент волновых функций поля ${\displaystyle n}$, получаем значение спина гравитона ${\displaystyle s=2}$[13].

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

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[14][15][16].

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 ${\displaystyle 2}$[17].

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[18].

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[19].

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации. В некоторых из них гравитон обладает массой[20].

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.[21]

По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распаде[22], рассеянии элементарных частиц[23], аннигиляции электронно-позитронных пар[24], при эффекте Комптона[25], при столкновениях адронов высоких энергий[26].

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[27]

Антигравитон имеет спин 1[2].

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[28][29][9].

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[30].

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и Virgo было объявлено о первом прямом наблюдении гравитационных волн[31]. 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/c², комптоновская длина волны гравитона λ_g = h/cm_g не ниже 10¹³ км)[32][33][34], а скорость гравитационных волн равна скорости света в пределах точности измерений[35].

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/c²)[3]. 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_gc/h) (потенциал Юкавы).

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

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[36]. Так, в космической опере «Гриада» А. Колпакова, написанной в начале 1960 годов, звездолёт «Урания» снабжён гравитонным двигателем[37]

В культовом фантастическом телесериале «Звёздный путь» зведолёты снабжены технологиями на основе гравитонов[38], 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[39].

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[40].

Название «Гравитон» носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год[41].

• Гравитационные волны
• Квантовая гравитация
• Гравитино
• Gravitonas — шведская поп-группа

• 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 «Космологические браны и макроскопические дополнительные измерения», УФН, 175, с. 569—601, (2005)
• Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон», 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. The Physics of Star Trek. — 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.
• Graviton Mass Bounds