Гравітон
| гравітон | |
|---|---|
 | |
| Символ | g, G |
| Родина | бозон |
| Група | калібрувальний бозон |
| Античастинка | Гравітон  |
| Гіпотетичний суперпартнер | гравітино[1] |
| Фізичні властивості | |
| Маса | 0 (теорія) <6×10-32 еВ/c² (верхня експериментальна межа) |
| Час життя | стабільний |
| Заряд | 0 |
| Спін | 2 |
| Число спінових станів | 5 |
| Парність | 1 |
| Взаємодія | |
| Взаємодії | гравітаційна |
| Дані про відкриття | |
| Статус | гіпотетичний |
| Передбачена | 1930 |
 гравітон у Вікісховищі | |
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.[2] Внаслідок надзвичайної слабкості гравітаційної взаємодії, експериментальне виявлення окремих гравітонів нині (2019) не є можливим.
У теоріях квантової гравітації гравітон — гіпотетична елементарна частинка, яка опосередковує силу гравітаційної взаємодії. Це квант енергії гравітаційної хвилі.[3] 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 безмасовим[en], 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.[4]
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 класичній границі[en] успішна теорія гравітонів зводиться до загальної теорії відносності, яка сама зводиться до закону гравітації Ньютона в границі слабкого поля.[5][6][7]
Альберт Айнштайн обговорював квантове гравітаційне випромінювання 1916 року, за рік після того, як опублікував загальну теорію відносності.[8]:525Термін «гравітон» увели 1934 року радянські фізики Дмитро Блохінцев і Федір Гальперін[ru].[9][8] 1959 року Поль Дірак використав цей термін у низці лекцій, зазначивши, що енергія гравітаційного поля повинна виражатися квантами.[10][11] Посередництво гравітаційної взаємодії частинками передбачав П'єр-Сімон Лаплас.[12] 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.
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.[13] 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.
Хоча гравітони вважають безмасовими, вони все одно переносять енергію, як і будь-яка інша квантова частинка.[14] Енергію фотонів та енергію глюонів[en] 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 1,6×1016 м, або близько 1,6 світлових років, що відповідає масі гравітона не більше 7,7×10−23 еВ/c2.[15] 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.
Однозначне виявлення окремих гравітонів, хоча й не заборонене жодним фундаментальним законом, вважалося неможливим за допомогою будь-якого фізично обґрунтованого детектора.[16] 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.[16] Припускають, що квантове зондування зробить можливим виявлення окремих гравітонів.[3] Навіть квантові події можуть не свідчити про квантування гравітаційного випромінювання.[17]
Спостереження колаборацій LIGO та Virgo безпосередньо виявили гравітаційні хвилі.[18][19][20] Хоча ці експерименти не можуть виявити окремих гравітонів,[21] 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).[22] 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.[23] Спостереження гравітаційних хвиль установлюють верхню межу 1,76×10−23 еВ/c2 від маси гравітона.[24]
Вимірювання траєкторії руху планет Сонячної системи космічними місіями, як-от Cassini та MESSENGER, дають порівнянну верхню межу 3,16×10−23 еВ/c2.[25] Дані про гравітаційні хвилі та планетарні ефемериди не обов'язково мають збігатися: вони перевіряють різні аспекти потенційної теорії, заснованої на гравітонах.[26]:71
Астрономічні спостереження кінематики галактик, особливо проблема обертання галактик та модифікована ньютонівська динаміка, можуть вказувати на те, що гравітони мають ненульову масу.[27][28]
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.[29]
- Гравітація з масивним гравітоном – теорія гравітації, в якій гравітон має ненульову масу
- Гравітино – суперпартнер гравітона
- Гравітомагнетизм – в теорії гравітації приблизний аналог електромагнетизму
- Планківські одиниці – набір одиниць вимірювання, визначений на основі універсальних фізичних сталих, запропонований Максом Планком
- ↑ Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics — ISBN 978-94-007-2464-8
- ↑ Лінеаризована тензорна ЗТВ. Архів оригіналу за 10 березня 2016. Процитовано 12 серпня 2014.
- 1 2 Tobar, Germain та ін. (22 серпня 2024). Detecting single gravitons with quantum sensing. Nat Commun (англ.). 15 (1). arXiv:2308.15440. Bibcode:2024NatCo..15.7229T. doi:10.1038/s41467-024-51420-8. PMC 11341900. PMID 39174544.
- ↑ 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 Misner, C. W.; Thorne, K. S.; Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0344-0.
- ↑ Feynman, R. P.; Morinigo, F. B.; Wagner, W. G.; Hatfield, B. (1995). Feynman Lectures on Gravitation. Addison-Wesley. ISBN 0-201-62734-5.
- ↑ Zee, Anthony (2003). Quantum Field Theory in a Nutshell (амер.). Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 0-691-01019-6.
- ↑ Randall, L. (2005). Warped Passages: Unraveling the Universe's Hidden Dimensions. Ecco Press. ISBN 0-06-053108-8.
- 1 2 Stachel, John (1999). The Early History of Quantum Gravity (1916–1940). Black Holes, Gravitational Radiation and the Universe. Fundamental Theories of Physics. Т. 100. с. 525—534. doi:10.1007/978-94-017-0934-7_31. ISBN 978-90-481-5121-9.
- ↑ Blokhintsev, D. I.; Gal'perin, F. M. (1934). Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии [Neutrino hypothesis and conservation of energy]. Pod Znamenem Marxisma (рос.). 6: 147—157. ISBN 978-5-04-008956-7.
- ↑ Farmelo, Graham (2009). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius (англ.). Faber and Faber. с. 367–368. ISBN 978-0-571-22278-0.
- ↑ Debnath, Lokenath (2013). A short biography of Paul A. M. Dirac and historical development of Dirac delta function. International Journal of Mathematical Education in Science and Technology (англ.). 44 (8): 1201—1223. Bibcode:2013IJMES..44.1201D. doi:10.1080/0020739X.2013.770091. ISSN 0020-739X.
- ↑ Zee, Anthony (24 квітня 2018). On Gravity: A Brief Tour of a Weighty Subject (амер.). Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-17438-9.
- ↑ Bern, Zvi; Chi, Huan-Hang; Dixon, Lance; Edison, Alex (22 лютого 2017). Two-loop renormalization of quantum gravity simplified (PDF). Physical Review D (англ.). 95 (4). arXiv:1701.02422. Bibcode:2017PhRvD..95d6013B. doi:10.1103/PhysRevD.95.046013. ISSN 2470-0010.
- ↑ O'Keefe, Madeleine (23 липня 2019). Massless particles can't be stopped | symmetry magazine. www.symmetrymagazine.org (англ.). Процитовано 13 липня 2025.
- ↑ Abbott, B. P. та ін. (1 червня 2017). GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2. Physical Review Letters. 118 (22). arXiv:1706.01812. Bibcode:2017PhRvL.118v1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.118.221101. PMID 28621973.
- 1 2 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.
- ↑ Carney, Daniel; Domcke, Valerie; Rodd, Nicholas L. (5 лютого 2024). Graviton detection and the quantization of gravity. Physical Review D. 109 (4). arXiv:2308.12988. Bibcode:2024PhRvD.109d4009C. doi:10.1103/PhysRevD.109.044009.
- ↑ Abbott, B. P. та ін. (11 лютого 2016). LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters (англ.). 116 (6). arXiv:1602.03837. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. ISSN 0031-9007. PMID 26918975.
- ↑ Castelvecchi, Davide; Witze, Witze (11 лютого 2016). Einstein's gravitational waves found at last. Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361.
- ↑ Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction. NSF – National Science Foundation. Процитовано 11 лютого 2016.
- ↑ Dyson, Freeman (8 жовтня 2013). Is a Graviton Detectable?. International Journal of Modern Physics A. 28 (25): 1330041–1–1330035–14. Bibcode:2013IJMPA..2830041D. doi:10.1142/S0217751X1330041X.
- ↑ 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. Архів (PDF) оригіналу за 24 липня 2018.
- ↑ Schützhold, Ralf (2025). Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light. Phys. Rev. Lett. American Physical Society. 135 (17): 171501. doi:10.1103/xd97-c6d7.
- ↑ R Abbot та ін. (15 червня 2021). Tests of General Relativity with Binary Black Holes from the second LIGO-Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. Physical Review Letters. 103 (12): 122022. arXiv:2010.14529. Bibcode:2021PhRvD.103l2002A. doi:10.1103/PhysRevD.103.122002.
- ↑ L. Bernus та ін. (15 липня 2020). Constraint on the Yukawa suppression of the Newtonian potential from the planetary ephemeris INPOP19a. Physical Review Letters. 102 (2): 021501(R). arXiv:2006.12304. Bibcode:2020PhRvD.102b1501B. doi:10.1103/PhysRevD.102.021501.
- ↑ Fienga, Agnès; Minazzoli, Olivier (29 січня 2024). Testing theories of gravity with planetary ephemerides. Living Reviews in Relativity (англ.). 27 (1). arXiv:2303.01821. Bibcode:2024LRR....27....1F. doi:10.1007/s41114-023-00047-0. ISSN 1433-8351.
- ↑ Trippe, Sascha (2012). A Simplified Treatment of Gravitational Interaction on Galactic Scales. Journal of the Korean Astronomical Society. 46 (1): 41—47. arXiv:1211.4692. Bibcode:2013JKAS...46...41T. doi:10.5303/JKAS.2013.46.1.41.
- ↑ Platscher, Moritz; Smirnov, Juri; Meyer, Sven; Bartelmann, Matthias (2018). Long range effects in gravity theories with Vainshtein screening. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2018 (12): 009. arXiv:1809.05318. Bibcode:2018JCAP...12..009P. doi:10.1088/1475-7516/2018/12/009.
- ↑ Greene, Brian R.; Morrison, David R.; Polchinski, Joseph (15 вересня 1998). String theory. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). 95 (19): 11039—11040. doi:10.1073/pnas.95.19.11039. ISSN 0027-8424. PMC 33894. PMID 9736684.