Гравіто́н — гіпотетичний квант гравітації — безмасова елементарна частинка без електричного заряду зі спіном 2 і двома можливими напрямами поляризації.
Попри відсутність нині повноцінної теорії квантової гравітації, можливе квантування слабких збурень заданого гравітаційного поля. В рамках такої лінеаризованої теорії елементарним збудженням є гравітон — безмасовий квант поля спіральності 2. Внаслідок надзвичайної слабкості гравітаційної взаємодії, експериментальне виявлення окремих гравітонів нині (2019) не є можливим.
Огляд У теоріях квантової гравітації гравітон — гіпотетична елементарна частинка, яка опосередковує силу гравітаційної взаємодії. Це квант енергії гравітаційної хвилі. Повної квантової теорії поля гравітонів не існує через нерозв'язану математичну проблему перенормування в загальній теорії відносності. Цієї проблеми уникають у теорії струн, яка розглядає гравітон як безмасовий стан фундаментальної струни, але ця теорія не досягла достатнього прогресу.
Якщо він існує, то очікується, що гравітон буде , оскільки гравітаційна сила має дуже великий радіус дії та, схоже, поширюється зі швидкістю світла. Гравітон має бути бозоном зі спіном 2, оскільки джерелом гравітації є тензор енергії-напруження, тензор другого порядку (порівняно з фотоном зі спіном 1 в електромагнетизмі, джерелом якого є чотириструмовий тензор першого порядку). Крім того, можна показати, що будь-яке безмасове поле зі спіном 2 породжуватиме силу, нерозрізненну з гравітацією, оскільки безмасове поле зі спіном 2 взаємодіятиме з тензором енергії-напруження так само, як гравітаційні взаємодії. Цей результат свідчить про те, що якщо буде виявлено безмасову частинку зі спіном 2, то це має бути гравітон.Порівняння геометричного виведення та (негеометричного) виведення загальної теорії відносності на основі поля зі спіном 2 наведено у вставці 18.1 (а також 17.2.5) у
Теорія Є гіпотеза, що гравітаційні взаємодії опосередковує невідкрита елементарна частинка, яку назвали гравітон. Три інші відомі взаємодії опосередковуються елементарними частинками: електромагнетизм — фотоном, сильна взаємодія — глюонами та слабка взаємодія — W- та Z-бозонами. Всі три взаємодії, схлже, точно описує Стандартна модель фізики елементарних частинок. У успішна теорія гравітонів зводиться до загальної теорії відносності, яка сама зводиться до закону гравітації Ньютона в границі слабкого поля.
Історія Альберт Айнштайн обговорював квантове гравітаційне випромінювання 1916 року, за рік після того, як опублікував загальну теорію відносності.Термін «гравітон» увели 1934 року радянські фізики Дмитро Блохінцев і . 1959 року Поль Дірак використав цей термін у низці лекцій, зазначивши, що енергія гравітаційного поля повинна виражатися квантами. Посередництво гравітаційної взаємодії частинками передбачав П'єр-Сімон Лаплас. Так само, як і передбачені Ньютоном фотони, передбачені Лапласом «гравітони» мали швидкість, більшу за швидкість світла у вакуумі (очікувана швидкість гравітонів у сучасних теоріях), і не були пов'язані з квантовою механікою чи спеціальною теорією відносності, оскільки він випередив ці теорії на століття.
Гравітони і перенормування Під час опису взаємодії гравітонів класична теорія діаграм Фейнмана та напівкласичні корекції, як-от однопетльові діаграми, поводяться нормально. Однак діаграми Фейнмана з принаймні двома петлями призводять до ультрафіолетових розбіжностей. Ці нескінченні результати неможливо виключити, оскільки квантована загальна теорія відносності не є пертурбативно перенормовною, на відміну від квантової електродинаміки та моделей, таких як теорія Янга — Міллса. Тому метод збурень, за допомогою якого фізики обчислюють імовірність випромінювання або поглинання гравітонів частинкою, дає незліченні результати, і теорія втрачає свою прогностичну достовірність. Ці проблеми та структура комплементарного наближення є підставою показати, що для опису поведінки поблизу масштабу Планка потрібна теорія, більш уніфікована, ніж квантована загальна теорія відносності.
Енергія та довжина хвилі Хоча гравітони вважають безмасовими, вони все одно переносять енергію, як і будь-яка інша квантова частинка. Енергію фотонів та також переносять безмасові частинки.
Або ж, якщо гравітони взагалі масивні, аналіз гравітаційних хвиль дав нову верхню межу маси гравітонів. Комптонівська довжина хвилі гравітона становить щонайменше , або близько 1,6 світлових років, що відповідає масі гравітона не більше . Це співвідношення між довжиною хвилі та масою-енергією розраховується за допомогою співвідношення Планка — Айнштайна, тієї ж формули, яка пов'язує довжину електромагнітної хвилі з енергією фотона.
Експериментальне спостереження Однозначне виявлення окремих гравітонів, хоча й не заборонене жодним фундаментальним законом, вважалося неможливим за допомогою будь-якого фізично обґрунтованого детектора. Причина полягає в надзвичайно низькому ефективному перерізі взаємодії гравітонів із речовиною. Наприклад, детектор з масою Юпітера та 100 % ефективністю, розміщений на близькій орбіті навколо нейтронної зорі, навіть за найсприятливіших умов міг би зафіксувати лише один гравітон раз на 10 років. Відрізнити ці події від фону нейтрино було б неможливо, оскільки розміри необхідного нейтринного екрану спричинили б колапс у чорну діру. Припускають, що квантове зондування зробить можливим виявлення окремих гравітонів. Навіть квантові події можуть не свідчити про квантування гравітаційного випромінювання.
Спостереження колаборацій LIGO та Virgo безпосередньо виявили гравітаційні хвилі. Хоча ці експерименти не можуть виявити окремих гравітонів, вони можуть надати інформацію про певні властивості гравітона. Наприклад, якби було виявлено, що гравітаційні хвилі поширюються повільніше за c (швидкість світла у вакуумі), це означало б, що гравітон має масу (проте, щоб гравітаційні хвилі можна було виявити, вони повинні поширюватися повільніше за c у зоні з ненульовою густиною маси). Крім того, за наявності гравітаційної хвилі, за допомогою сучасних технологій має бути можливим спостерігати (за допомогою інтерференції або ефектів биття після лінії затримки) ознаки вимушеного випромінювання або поглинання гравітонів. Спостереження гравітаційних хвиль установлюють верхню межу від маси гравітона.
Вимірювання траєкторії руху планет Сонячної системи космічними місіями, як-от Cassini та MESSENGER, дають порівнянну верхню межу . Дані про гравітаційні хвилі та планетарні ефемериди не обов'язково мають збігатися: вони перевіряють різні аспекти потенційної теорії, заснованої на гравітонах.
Астрономічні спостереження кінематики галактик, особливо проблема обертання галактик та модифікована ньютонівська динаміка, можуть вказувати на те, що гравітони мають ненульову масу.
Труднощі та нерозв'язані питання Більшість теорій, що містять гравітони, мають серйозні проблеми. Спроби розширити Стандартну модель або інші квантові теорії поля шляхом додавання гравітонів стикаються з серйозними теоретичними труднощами за енергій, близьких до планківського масштабу або вищих. Нескінченності виникають через квантові ефекти; технічно гравітацію неможливо перенормувати. Оскільки класична загальна теорія відносності та квантова механіка видаються за таких енергій несумісними, ця ситуація неприйнятна з теоретичного погляду.
Одним із можливих виходів є заміна частинок струнами. Струни — це одновимірні петлі, які запобігають дивергенціям завдяки згладжуванню гравітаційних взаємодій. Частинка, яку ототожнюють із гравітоном, фігурує у теорії струн, де взаємодії на великі відстані описуються загальною теорією відносності. На жаль, моделі, засновані на струнах, розроблено лише для кількох слабо взаємодіючих струн.
Див. також
Примітки