Graviton

Graviton  ( G )
Sloučenina Elementární částice
Rodina boson
Skupina Měřicí boson
Účastní se interakcí gravitace [1]
Antičástice Sám ( G ), podle jiných zdrojů - antigraviton (se spinem 1) [2]
Postavení Hypotetický
Hmotnost 0 (teorie), < 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 [3] (horní mez experimentu)
Život > roky [4]
kanály rozkladu stabilní
Teoreticky oprávněné 30. léta [5]
se často připisují dílu z roku 1934 od D. I. Blokhintseva a F. M. Galperina [6]
kvantová čísla
Elektrický náboj 0
baryonové číslo 0
Leptonové číslo 0
Roztočit 2g _
Parita +1
Parita poplatků +1

Graviton  - hypotetická bezhmotná elementární částice  - nositel gravitační interakce a kvanta gravitačního pole bez elektrických a jiných nábojů (má však energii a účastní se tedy gravitační interakce). Musí mít spin 2 a dva možné směry polarizace . Pravděpodobně se vždy pohybuje rychlostí světla .

Termín „graviton“ byl navržen ve 30. letech 20. století , často je připisován práci D. I. Blokhintseva a F. M. Galperina z roku 1934 [7] [8] .

Hypotéza existence gravitonů se objevila jako důsledek principu vlnově-částicové duality pro popis gravitačního pole a úspěchu kvantové teorie pole (zejména Standardního modelu ) při modelování chování dalších základních interakcí pomocí podobných částic: fotonů v elektromagnetické interakci , gluony v silné interakci , W ± a Z bosony ve slabé interakci . Podle této analogie může být za gravitační interakci zodpovědná i nějaká elementární částice [9] .

Je také možné, že gravitony jsou kvazičástice , vhodné pro popis slabých gravitačních polí na délkových a časových měřítkách mnohem větších než Planckova délka a Planckův čas , ale nevhodné pro popis silných polí a procesů s charakteristickými měřítky blízkými Planckovým. [10] [11]

V různých teoriích

Předpokládaný gravitonový spin je stejný z toho důvodu, že rovinná gravitační vlna má kvadrupólový charakter, přechází do sebe při otočení o 180° kolem osy rovnoběžné se směrem šíření. Vyplývá to i z počtu nezávislých složek vlnových funkcí gravitačního pole, kterými jsou gravitační potenciály. Z deseti komponentů tenzoru gravitačního potenciálu, díky nulové stopě a čtyřem dodatečným měřidlovým podmínkám (podobným Lorentzově měřidlu v elektrodynamice) , zůstávají nezávislé komponenty. Vzorcem , [12] vztahujícím hodnotu spinu k počtu složek vlnových funkcí pole , získáme hodnotu spinu gravitonu [13] .

Z hlediska kvantové teorie pole je princip ekvivalence sil gravitace a setrvačnosti důsledkem požadavku Lorentzovy invariance pro gravitony (bezhmotné částice se spinem ), protože požadavek Lorentzovy invariance vede k invarianci kalibrace. teorie a princip obecné kovariance , který je zobecněním principu kalibrační invariance , je matematickým vyjádřením principu ekvivalence [14] [15] [16] .

Pokusy rozšířit Standardní model o gravitony čelí vážným teoretickým potížím v oblasti vysokých energií (rovných nebo větších než Planckova energie ) kvůli rozdílům kvantových efektů (gravitace se nerenormalizuje ). Dalším problémem je, že do matematického popisu polí popisujících elementární částice s celočíselným spinem lze zavést kladně definovanou hustotu energie pouze pro částice se spinem a a graviton má spin [17] .

Řešení těchto otázek bylo motivem konstrukce několika navrhovaných teorií kvantové gravitace (zejména jedním pokusem je teorie strun ). Navzdory současné absenci plnohodnotné teorie kvantové gravitace je možné podle poruchové teorie kvantovat slabé poruchy daného gravitačního pole v prvním řádu. V rámci takto linearizované teorie je elementárním buzením graviton [18] .

V teoriích supergravitace se také zavádí gravitino (spin- 3 / 2 ) - gravitonův superpartner .

V teorii strun jsou gravitony, stejně jako jiné částice, stavy strun, nikoli bodové částice, v takovém případě se nekonečna neobjevují. Přitom při nízkých energiích lze tyto excitace považovat za bodové částice. To znamená, že graviton, stejně jako ostatní elementární částice, je určitou aproximací reality, kterou lze použít v nízkoenergetické oblasti.

Podle teorie smyčkové kvantové gravitace jsou gravitony vysídlenými kvanty časoprostoru [19] .

Gravitony jsou také běžně představeny v kvantových verzích alternativních teorií gravitace . V některých z nich má graviton hmotnost [20] .

Předpokládá se, že hustota energie reliktních gravitonů, vytvořených v prvních sekundách po velkém třesku , je v současné době přibližně hustota energie reliktních fotonů. [21]

Analogicky s kvantovou elektrodynamikou, pravděpodobnosti emise gravitonu při rozpadu [22] , rozptylu elementárních částic [23] , anihilaci elektron-pozitronových párů [24] , s Comptonovým efektem [25] a při srážkách vysokoenergetických hadrony [26] jsou vypočteny .

Posun perihélia Merkuru z hlediska koncepce gravitonu je vysvětlen přínosem procesů popsaných v jazyce Feynmanových diagramů ke gravitační interakci Merkuru a Slunce pomocí diagramů s interakcí virtuálních gravitony mezi sebou [27]

Antigraviton má spin 1 [2] .

Experimentální a pozorovací studie

Vzhledem k extrémní slabosti gravitačních interakcí je experimentální potvrzení existence gravitonu (tedy detekce jednotlivých volně se šířících gravitonů) podle teorií předpovídajících existenci gravitonů ( teorie strun , kvantovaná linearizovaná obecná teorie relativity atd.) v současné době není možné, protože vznik skutečných gravitonů bude patrný pouze při interakčních energiích v systému těžiště kolidujících částic řádu Planckovy energie [28] [29] [9] .

Pokud se však ukáže, že teorie devítirozměrného prostoru se skrytými rozměry jsou správné, pak se očekává, že gravitony lze detekovat energií, kterou unesou po vzniku v procesech srážek elementárních částic o energiích 100 TeV [ 30] .

Dne 11. února 2016 oznámila spolupráce LIGO a VIRGO první přímé pozorování gravitačních vln [31] . Podle této registrace gravitačních vln se ukázalo, že jejich disperze je kompatibilní s bezhmotným gravitonem (horní mez hmotnosti gravitonu m g byla odhadnuta na 1,2 × 10 −22 eV/ c 2 , Comptonova vlnová délka gravitonu λ g = h/cm g není menší než 10 13 km ) [32] [33] [34] a rychlost gravitačních vln je rovna rychlosti světla v rámci přesnosti měření [35] .

Existuje také přísnější, ale na modelu více závislý odhad horní hranice hmotnosti gravitonu m g < 2 × 10 −62 g (neboli 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 ) [3] . Vyplývá to z pozorovaného rozsahu gravitačních polí galaktických kup ve vesmíru a je založeno na skutečnosti, že v přítomnosti hmoty v poli nosič boson interakční potenciál klesá se vzdáleností nikoli podle zákona r −1 (jako např. v případě nehmotných polí), ale mnohem rychleji, úměrně k r −1 exp(− rm g c/h ) ( Yukawův potenciál ).

Pozorování GW170817 poskytla odhad spodní hranice životnosti gravitonu - 4,5 × 108 let . [čtyři]

Graviton v populární kultuře

Téma ovládání gravitace je často používáno jako fantastický předpoklad ve sci-fi (zejména jako technologie, která zpřístupňuje cestování vesmírem ), někdy jsou také zmíněny gravitony [36] . Tak ve vesmírné opeře " Gríada " od A. Kolpakova , napsané na počátku 60. let, je hvězdná loď Urania vybavena gravitonovým motorem [37]

V kultovním vědeckofantastickém televizním seriálu Star Trek jsou hvězdné lodě vybaveny technologiemi založenými na gravitonu [38] , jako je umělá gravitace, navigační deflektor, nízkoúrovňová silová pole atd. Zároveň, jak poznamenal Lawrence Krauss , když popisoval technologie jako „ emise koherentních gravitonů“, která se používá pro zakřivení prostoru, autoři alespoň používají terminologii adekvátní z pohledu moderní fyziky [39] .

Jako prvek doprovodu se gravitony nacházejí i v jiných vědeckofantastických dílech, například ve filmu „ Po Zemi “, během letu na Zemi dochází v těle vesmírné lodi k vibraci gravitonů, která způsobuje expanzi hmot. a zase přitahuje proud asteroidů [40] .

Název „ Graviton “ byl hlavní odbornou cenou v Bulharsku v oblasti fantastické literatury a umění, udělovanou v letech 1991 až 2005 [41] .

Viz také

Zdroje

  1. ↑ Úžasný svět uvnitř atomového jádra Otázky po přednášce . Získáno 28. října 2014. Archivováno z originálu 15. července 2015.
  2. ↑ 1 2 Mostepanenko V. , Ph.D. Casimirův efekt // Věda a život. - 1989. - č. 12. - S. 144-145.
  3. ↑ 1 2 Goldhaber AS, Nieto MM Hmotnost gravitonu // Physical Review D. - 1974. - Vol. 9. - S. 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 Limity počtu prostoročasových dimenzí z GW170817 Archivováno 3. listopadu 2019 na Wayback Machine
  5. ↑ Rovelli, C. (2001), Poznámky pro stručnou historii kvantové gravitace, arΧiv : gr-qc/0006061 [gr-qc].  
  6. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Hypotéza neutrin a zákon zachování energie  (neopr.)  // Pod praporem marxismu . - 1934. - T. 6 . - S. 147-157 . (Ruština)  
  7. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Neutrinová hypotéza a zákon zachování energie. Pod praporem marxismu, 6 (1934) 147-157.
  8. ↑ Gorelik G. E. Matvey Bronstein a kvantová gravitace. K 70. výročí nevyřešeného problému  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Ruská akademie věd , 2005. - T. 175 , no. 10 . - S. 1093-1108 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200510h.1093 .
  9. ↑ 1 2 PostNauka 5. června 2015 Sergey Blinnikov Co je graviton? Archivováno 22. září 2018 na Wayback Machine
  10. ↑

    Otázka porovnávání částic v obecném případě nelineárního, neslabého pole stále není dostatečně jasná. Až dosud totiž kvanta pole (fotony, gravitony atd.) vždy vznikají v lineární aproximaci, kdy byla částice asociována s každou dílčí elementární vlnou. Zdá se tedy, že v oblasti nelineární teorie obvyklé chápání částic do určité míry ztrácí smysl a mělo by být odpovídajícím způsobem revidováno.

    Sokolov A. , Ivanenko D. Kvantová teorie pole. - M.: GITTL, 1952. - S. 656.
  11. ↑

    Co by se obecně mělo chápat jako částice v přítomnosti neinvariantního fyzikálního vakua (nebo vnějšího pole)? Konečná odpověď zatím nebyla dána.

    Ivanenko D. D. , Sardanishvili G. A. Gravitace. — M.: LKI, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2  — S. 163.
  12. ↑ Pauli W. Relativistická teorie elementárních částic. - M.: IL, 1947. - S. 72
  13. ↑ Sokolov A. , Ivanenko D. Kvantová teorie pole. — M.: GITTL, 1952. — S. 662.
  14. ↑ Weinberg, 1975 , str. 312.
  15. ↑ Weinberg, 2001 , str. 337.
  16. ↑ S. Weinberg Feynman pravidla pro jakékoli roztočení, Archivováno 22. dubna 2019 na Wayback Machine , Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman pravidla pro jakýkoli spin Archivováno 22. dubna 2019 na Wayback Machine , II, Massless parts, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Fotony a gravitony v S - teorie matic: odvození zachování náboje a rovnosti gravitační a setrvačné hmoty Archivováno 9. prosince 2019 na Wayback Machine , Ib, 135, B1049-1056 (1964) S. Weinberg Fotony a gravitony v teorii poruch: odvození Maxwellovy a Einsteinovy rovnice, archivováno 24. března 2020 na Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965 )
  17. ↑ Akhiezer A.I. , Berestetsky V.B. Kvantová elektrodynamika. - M.: Nauka, 1969. - S. 174.
  18. ↑ DeWitt B. Kvantová teorie gravitace I // Physical Review 160, 1113-1148 (1967).
    DeWitt B. Kvantová teorie gravitace II: zjevně kovariantní teorie // Physical Review 162, 1195-1239 (1967).
    DeWitt B. Kvantová teorie gravitace III: aplikace kovariantní teorie // Physical Review 162, 1239-1256 (1967).
    Systematická prezentace: Devitt B. S. Dynamická teorie grup a polí: Per. z angličtiny. / Ed. G. A. Vilkovský. - M .: Věda. Ch. vyd. Fyzikální matematika lit. - 1987. - 288 s.
    dotisk reedice: Čerepovec: Mercury-PRESS, 2000. ISBN 5-11-480064-7 .
  19. ↑ O. O. Feigin Centenary of OTO Archivní kopie ze 4. května 2017 na Wayback Machine // Chemistry and Life . - 2015. - č. 10 - Elements.ru
  20. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. „Modification of gravity at large distances and a masivní graviton“ Archivní kopie ze dne 14. dubna 2015 na Wayback Machine , UFN , 178, s. 813, (2008)
  21. ↑ Zel'dovich Ya . _ - M.: Nauka, 1967. - S. 497-500.
  22. ↑ Feynman, 2000 , str. 276.
  23. ↑ Feynman, 2000 , str. 278.
  24. ↑ Yu. S. Vladimirov Anihilace elektron-pozitronového páru na dva gravitony // JETP . - 1963. - Svazek 16, Vydání. 1. – C. 65 – URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Archivní kopie ze 7. dubna 2022 ve Wayback Machine
  25. ↑ NA Voronov Gravitační Comptonův jev a fotoprodukce gravitonů elektrony // JETP . - 1973. - Svazek 37, Vydání. 6. – S. 953 – URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  26. ↑ I. Yu. Kobzarev, PI Peshkov Emise gravitonu při srážkách vysokoenergetických hadronů // JETP . - 1975. - Ročník 40, Vydání. 2. – S. 213 – URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  27. ↑ Lev Okun Základní pojmy a zákony fyziky a vlastnosti elementárních částic hmoty Archivní kopie ze 4. května 2017 na Wayback Machine // Zpráva na prezidiu Ruské akademie věd dne 27. října 2009 - Elements.ru
  28. ↑ Burundukov A. S. Interakce vysokoenergetických gravitonů s fermiony. - Vladivostok, 1993. - ISBN 5744205080 .
  29. ↑ Fyzická encyklopedie  : [v 5 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohmův efekt - Dlouhé čáry. — 707 s. — 100 000 výtisků.
  30. ↑ Pistole ráže Graviton Alexey Levin Archivní kopie z 11. června 2017 na Wayback Machine // Popular Mechanics . - 2014. - č. 5 - Elements.ru
  31. ↑ Igor Ivanov. Gravitační vlny jsou otevřené! . Elements of Big Science (11. února 2016). Datum přístupu: 14. února 2016. Archivováno z originálu 14. února 2016.
  32. ↑ Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) a kol. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  (anglicky)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Sv. 116 , č. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 .
  33. ↑ Fyzici zachytili gravitační vlny (nepřístupný odkaz) . Datum přístupu: 23. února 2016. Archivováno z originálu 4. března 2016. 
  34. ↑ Sergey Popov: „Proč potřebujeme astronomii“ (přednáška 14. února 2016) . Získáno 23. února 2016. Archivováno z originálu 19. dubna 2019.
  35. ↑ Vědci zaznamenali gravitační vlny předpovězené archivní kopií Einsteina z 15. února 2016 na Wayback Machine // meduza.io
  36. ↑ Brian Stableford . Gravitace // Vědecká fakta a sci-fi: Encyklopedie. - Routledge, 2006. - S. 220-222. — 730 s. — ISBN 9780415974608 .
  37. ↑ Jevgenij Charitonov. Griada - Alexander Kolpakov - Recenze knihy . reensent.ru. Datum přístupu: 3. března 2016. Archivováno z originálu 5. března 2016.
  38. ↑ Okuda, 1999 , Graviton, str. 177.
  39. ↑ Krauss, 2007 , Ch. 4. Data končí hru, str. 72.
  40. ↑ After Earth  – článek z Encyklopedie sci-fi
  41. ↑ Jevgenij Charitonov . Graviton . Fantasy Lab . Získáno 5. dubna 2016. Archivováno z originálu dne 24. února 2022.

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Hypotetické částice ve fyzice
základní
částice
Superpartneři
Gagino
Sfermioni
jiný
jiný
Kompozitní
částice
exotické hadrony
jiný