Graviton

Graviton  ( G )
Förening Elementarpartikel
En familj boson
Grupp Mätare boson
Deltar i interaktioner Gravity [1]
Antipartikel Själv ( G ), enligt andra källor - antigraviton (med spin 1) [2]
Status Hypotetisk
Vikt 0 (teori), < 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 [3] (experimentell övre gräns)
Livstid > år [4]
kanaler av förfall stabil
Teoretiskt motiverat 1930 -talet [5]
tillskrivs ofta arbetet från 1934 av D. I. Blokhintsev och F. M. Galperin [6]
kvanttal
Elektrisk laddning 0
baryonnummer 0
Lepton nummer 0
Snurra 2g _
Paritet +1
Laddningsparitet +1

Graviton  - en hypotetisk masslös elementarpartikel  - en bärare av gravitationsinteraktion och ett kvantum av ett gravitationsfält utan elektriska och andra laddningar (dock har den energi och deltar därför i gravitationsinteraktion). Måste ha spin 2 och två möjliga polarisationsriktningar . Rör sig antagligen alltid med ljusets hastighet .

Termen "graviton" föreslogs på 1930 -talet , ofta tillskriven 1934 års arbete av D. I. Blokhintsev och F. M. Galperin [7] [8] .

Hypotesen om förekomsten av gravitoner dök upp som en konsekvens av principen om våg-partikeldualitet för att beskriva gravitationsfältet och framgången för kvantfältteorin (särskilt standardmodellen ) i att modellera beteendet hos andra fundamentala interaktioner med hjälp av liknande partiklar: fotoner i den elektromagnetiska interaktionen , gluoner i den starka interaktionen , W ± och Z bosoner i den svaga interaktionen . Efter denna analogi kan vissa elementarpartiklar också vara ansvarig för gravitationsinteraktionen [9] .

Det är också möjligt att gravitoner är kvasipartiklar , bekväma för att beskriva svaga gravitationsfält på längd- och tidsskalor som är mycket större än Plancklängden och Plancktiden , men olämpliga för att beskriva starka fält och processer med karakteristiska skalor nära Plancks. [10] [11]

I olika teorier

Det antagna gravitonspinnet är lika av det skälet att en plan gravitationsvåg har en fyrpolskaraktär och passerar in i sig själv när den roteras 180° runt en axel parallell med utbredningsriktningen. Det följer också av antalet oberoende komponenter i gravitationsfältets vågfunktioner, som är gravitationspotentialer. Av de tio komponenterna i gravitationspotentialtensorn, på grund av nollspåret och fyra ytterligare mätningsförhållanden (liknande Lorentz-mätaren inom elektrodynamik) , kvarstår oberoende komponenter. På grund av formeln , [12] som relaterar värdet av snurran med antalet komponenter i vågfunktionerna i fältet , får vi värdet av gravitonens spinn [13] .

Ur kvantfältteorins synvinkel är principen om ekvivalens av gravitationskrafterna och tröghetskrafterna en följd av kravet på Lorentz-invarians för gravitoner (masslösa partiklar med spin ), eftersom kravet på Lorentz-invarians leder till gauge-invariansen av teorin, och principen om allmän kovarians , som är en generalisering av principen om mätinvarians , är ett matematiskt uttryck för ekvivalensprincipen [14] [15] [16] .

Försök att utöka standardmodellen med gravitoner står inför allvarliga teoretiska svårigheter i området med höga energier (lika med eller större än Planck-energin ) på grund av skillnaderna mellan kvanteffekter (gravitationen renormaliseras inte ). Ett annat problem är att i den matematiska beskrivningen av fält som beskriver elementarpartiklar med heltalsspinn kan en positivt definierad energitäthet införas endast för partiklar med spin och , och gravitonen har ett spin [17] .

Att lösa dessa frågor har varit motivet bakom konstruktionen av flera föreslagna teorier om kvantgravitation (särskilt ett försök är strängteori ). Trots att det för närvarande saknas en fullfjädrad teori om kvantgravitation är det möjligt att kvantisera svaga störningar av ett givet gravitationsfält i första ordningen enligt störningsteorin. Inom ramen för en sådan linjäriserad teori är den elementära excitationen gravitonen [18] .

I teorierna om supergravitation introduceras även gravitino (spin- 3 / 2 ) - gravitonens superpartner .

I strängteorin är gravitoner, liksom andra partiklar, tillstånd av strängar, inte punktpartiklar, i vilket fall oändligheter inte visas. Samtidigt, vid låga energier, kan dessa excitationer betraktas som punktpartiklar. Det vill säga att gravitonen, liksom andra elementarpartiklar, är någon approximation till verkligheten som kan användas i lågenergiområdet.

Enligt teorin om slingkvantgravitation är gravitoner förskjutningskvanta av rum-tid [19] .

Gravitoner introduceras också vanligtvis i kvantversioner av alternativa teorier om gravitation . I några av dem har gravitonen massa [20] .

Man tror att energitätheten för relikgravitoner, som bildas under de första sekunderna efter Big Bang , för närvarande är ungefär lika med energitätheten för reliktfotoner. [21]

I analogi med kvantelektrodynamik, sannolikheterna för gravitonemission under sönderfall [22] , spridning av elementarpartiklar [23] , förintelse av elektron-positronpar [24] , med Compton-effekten [25] och i kollisioner av högenergi hadroner [26] beräknas .

Förskjutningen av Merkurius perihelion , från synvinkeln av gravitonbegreppet, förklaras av bidraget till gravitationsinteraktionen mellan Merkurius och solen av processer som beskrivs på språket Feynman -diagram genom diagram med interaktionen av virtuella gravitationer med varandra [27]

Antigravitonen har spin 1 [2] .

Experimentella och observationsstudier

På grund av den extrema svagheten i gravitationsinteraktioner, är experimentell bekräftelse av existensen av en graviton (det vill säga upptäckten av individuella fritt fortplantande gravitoner) enligt teorier som förutsäger existensen av gravitoner ( strängteori , kvantiserad linjär allmän relativitet, etc.) för närvarande inte möjligt, eftersom bildandet av verkliga gravitoner kommer att bli märkbart endast vid interaktionsenergier i masscentrumsystemet av kolliderande partiklar av storleksordningen Planck-energin [28] [29] [9] .

Icke desto mindre, om teorierna om niodimensionellt rymd med dolda dimensioner visar sig vara korrekta, förväntas det att gravitoner kan detekteras av den energi de bär bort efter att ha bildats i processerna för elementarpartikelkollisioner vid energier på 100 TeV [ 30] .

Den 11 februari 2016 tillkännagav samarbetena LIGO och VIRGO den första direkta observationen av gravitationsvågor [31] . Enligt denna registrering av gravitationsvågor visade sig deras spridning vara kompatibel med den masslösa gravitonen (den övre gränsen för gravitonmassan m g uppskattades till 1,2 × 10 −22 eV/ c 2 , Compton-våglängden för gravitonen λ g = h/cm g är inte mindre än 10 13 km ) [32] [33] [34] , och gravitationsvågornas hastighet är lika med ljusets hastighet inom mätnoggrannheten [35] .

Det finns också en strängare, men mer modellberoende uppskattning av den övre gränsen för gravitonmassan m g < 2 × 10 −62 g (eller 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 ) [3] . Det följer av den observerade utsträckningen av gravitationsfälten för galaktiska kluster i rymden och bygger på det faktum att i närvaro av massa i fältbärarbosonen minskar interaktionspotentialen med avstånd som inte är enligt lagen r −1 (som i fallet med masslösa fält), men mycket snabbare, proportionellt mot r −1 exp(− rm g c/h ) ( Yukawa potential ).

Observationer av GW170817 gav en uppskattning av den nedre gränsen för gravitonlivslängden - 4,5 × 10 8 år . [fyra]

Graviton i populärkulturen

Ämnet gravitationskontroll används ofta som ett fantastiskt antagande inom science fiction (särskilt som en teknik som gör rymdresor tillgänglig ), ibland nämns även gravitoner [36] . I rymdoperan " Griada " av A. Kolpakov , skriven i början av 1960-talet, är således rymdskeppet Urania utrustad med en gravitonmotor [37]

I kult -science fiction-tv-serien Star Trek är rymdskepp utrustade med gravitonbaserad teknologi [38] , såsom artificiell gravitation, navigationsdeflektor, lågnivåkraftfält etc. Samtidigt, som Lawrence Krauss noterade , när han beskrev teknologier som " emission av koherenta gravitoner", som används för krökning av rymden, använder författarna åtminstone terminologi som är adekvat ur modern fysiks synvinkel [39] .

Som en del av entouraget finns gravitoner också i andra science fiction-verk, till exempel i filmen " After Earth ", under flygningen till jorden uppstår en gravitonvibration i rymdskeppskroppen, vilket orsakar en expansion av massorna , och i sin tur attraherar en asteroidström [40] .

Namnet " Graviton " var det huvudsakliga professionella priset i Bulgarien inom området fantastisk litteratur och konst, som delades ut från 1991 till 2005 [41] .

Se även

Källor

  1. ↑ Den fantastiska världen inuti atomkärnan Frågor efter föreläsningen . Hämtad 28 oktober 2014. Arkiverad från originalet 15 juli 2015.
  2. ↑ 1 2 Mostepanenko V. , Ph.D. Casimir-effekten // Vetenskapen och livet. - 1989. - Nr 12. - S. 144-145.
  3. ↑ 1 2 Goldhaber AS, Nieto MM Gravitonmassa // Physical Review D. - 1974. - Vol. 9. - P. 1119-1121. — ISSN 0556-2821 . - doi : 10.1103/PhysRevD.9.1119 .
  4. ↑ 1 2 ArXiv.org Kris Pardo, Maya Fishbach, Daniel E. Holz, David N. Spergel Begränsningar för antalet rumtidsdimensioner från GW170817 Arkiverad 3 november 2019 på Wayback Machine
  5. ↑ Rovelli, C. (2001), Notes for a short history of quantum gravity, arΧiv : gr-qc/0006061 [gr-qc].  
  6. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Neutrinohypotesen och lagen om energibevarande  (neopr.)  // Under marxismens fana . - 1934. - T. 6 . - S. 147-157 . (ryska)  
  7. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Neutrinohypotes och lagen om energibevarande. Under marxismens fana, 6 (1934) 147-157.
  8. ↑ Gorelik G. E. Matvey Bronstein och kvantgravitationen. Till 70-årsdagen av det olösta problemet  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Ryska vetenskapsakademin , 2005. - T. 175 , nr. 10 . - S. 1093-1108 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200510h.1093 .
  9. ↑ 1 2 PostNauka 5 juni 2015 Sergey Binnikov Vad är en graviton? Arkiverad 22 september 2018 på Wayback Machine
  10. ↑

    Frågan om att jämföra blodkroppar i det allmänna fallet med ett icke-linjärt, icke-svagt fält är fortfarande inte tillräckligt tydlig. Faktum är att fram till nu uppstår alltid fältkvanta (fotoner, gravitoner, etc.) i en linjär approximation, när en partikel var associerad med varje partiell elementär våg. Sålunda, uppenbarligen, inom området för icke-linjär teori, förlorar den vanliga förståelsen av partiklar i viss mån sin mening och bör revideras i enlighet därmed.

    Sokolov A. , Ivanenko D. Kvantfältteori. - M.: GITTL, 1952. - S. 656.
  11. ↑

    Vad bör generellt förstås som en partikel i närvaro av ett icke-invariant fysiskt vakuum (eller yttre fält)? Det slutgiltiga svaret har ännu inte givits.

    Ivanenko D. D. , Sardanishvili G. A. Gravity. — M.: LKI, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2  — S. 163.
  12. ↑ Pauli W. Relativistisk teori om elementarpartiklar. - M.: IL, 1947. - S. 72
  13. ↑ Sokolov A. , Ivanenko D. Kvantfältteori. — M.: GITTL, 1952. — S. 662.
  14. ↑ Weinberg, 1975 , sid. 312.
  15. ↑ Weinberg, 2001 , sid. 337.
  16. ↑ S. Weinberg Feynman regler för alla snurr, jag arkiverade 22 april 2019 på Wayback Machine , Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman regler för varje spin Arkiverad 22 april 2019 på Wayback Machine , II, Massless partiklar, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in S. -matristeori: härledning av laddningsbevarande och jämlikhet av gravitations- och tröghetsmassa Arkiverad 9 december 2019 på Wayback Machine , Ib, 135, B1049-1056 (1964) S. Weinberg Fotoner och gravitoner i störningsteori: härledning av Maxwells och Einsteins och Einsteins ekvationer, Arkiverad 24 mars 2020 på Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965 )
  17. ↑ Akhiezer A.I. , Berestetsky V.B. Quantum electrodynamics. - M .: Nauka, 1969. - S. 174.
  18. ↑ DeWitt B. Quantum theory of gravitation 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. Kvantteori om gravitation III: tillämpning av den kovariansteorin // Physical Review 162, 1239-1256 (1967).
    Systematisk presentation: Devitt B. S. Dynamisk teori om grupper och fält: Per. från engelska. / Ed. G. A. Vilkovysky. - M . : Vetenskap. Ch. ed. Phys.-Matte. belyst. - 1987. - 288 sid.
    nyutgivning: Cherepovets: Mercury-PRESS, 2000. ISBN 5-11-480064-7 .
  19. ↑ O. O. Feigin Centenary of OTO Arkivexemplar daterad 4 maj 2017 på Wayback Machine // Chemistry and Life . - 2015. - Nr 10 - Elements.ru
  20. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. "Modifiering av gravitationen vid stora avstånd och en massiv graviton" Arkivkopia daterad 14 april 2015 på Wayback Machine , UFN , 178, sid. 813, (2008)
  21. ↑ Zel'dovich Ya . _ - M .: Nauka, 1967. - S. 497-500.
  22. ↑ Feynman, 2000 , sid. 276.
  23. ↑ Feynman, 2000 , sid. 278.
  24. ↑ Yu. S. Vladimirov Förintelse av ett elektron-positronpar till två gravitoner // JETP . - 1963. - Volym 16, nummer. 1. - C. 65 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Arkivkopia daterad 7 april 2022 på Wayback Machine
  25. ↑ NA Voronov Gravitational Compton effekt och fotoproduktion av gravitoner av elektroner // JETP . - 1973. - Volym 37, nummer. 6. - S. 953 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  26. ↑ I. Yu. Kobzarev, PI Peshkov Gravitonutsläpp vid kollisioner av högenergihadroner // JETP . - 1975. - Volym 40, nummer. 2. - S. 213 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  27. ↑ Lev Okun Grundläggande begrepp och fysiklagar och egenskaper hos elementarpartiklar av materia Arkivkopia daterad 4 maj 2017 på Wayback Machine // Rapport på presidiet för den ryska vetenskapsakademin den 27 oktober 2009 - Elements.ru
  28. ↑ Burundukov A. S. Interaktion mellan högenergigravitoner och fermioner. - Vladivostok, 1993. - ISBN 5744205080 .
  29. ↑ Physical Encyclopedia  : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effekt - Långa rader. — 707 sid. — 100 000 exemplar.
  30. ↑ Alexey Levin Graviton kaliber pistol Arkivkopia daterad 11 juni 2017 på Wayback Machine // Popular Mechanics . - 2014. - Nr 5 - Elements.ru
  31. ↑ Igor Ivanov. Gravitationsvågor är öppna! . Elements of Big Science (11 februari 2016). Datum för åtkomst: 14 februari 2016. Arkiverad från originalet 14 februari 2016.
  32. ↑ Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  (engelska)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Vol. 116 , nr. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 .
  33. ↑ Fysiker fångade gravitationsvågor (otillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 23 februari 2016. Arkiverad från originalet 4 mars 2016. 
  34. ↑ Sergey Popov: "Varför behöver vi astronomi" (föreläsning 14 februari 2016) . Hämtad 23 februari 2016. Arkiverad från originalet 19 april 2019.
  35. ↑ Forskare har spelat in gravitationsvågor som förutspåtts av Einsteins arkivkopia av 15 februari 2016 på Wayback Machine // meduza.io
  36. ↑ Brian Stableford . Gravity // Science Fact and Science Fiction: An Encyclopedia. - Routledge, 2006. - S. 220-222. — 730 sid. — ISBN 9780415974608 .
  37. ↑ Evgeny Kharitonov. Griada - Alexander Kolpakov - Bokrecension . recensent.ru. Datum för åtkomst: 3 mars 2016. Arkiverad från originalet 5 mars 2016.
  38. ↑ Okuda, 1999 , Graviton, sid. 177.
  39. ↑ Krauss, 2007 , Ch. 4. Data avslutar spelet, sid. 72.
  40. ↑ After Earth  - artikel från The Encyclopedia of Science Fiction
  41. ↑ Evgeny Kharitonov . Graviton . Fantasy Lab . Hämtad 5 april 2016. Arkiverad från originalet 24 februari 2022.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 Hypotetiska partiklar i fysik
grundläggande
partiklar
Superpartners
Gagino
Sfermioner
Övrig
Övrig
Kompositpartiklar
_
exotiska hadroner
Övrig