что такое гравитон в физике
Гравитон
Гипотеза о существовании гравитонов появилась благодаря успеху квантовой теории поля (особенно Стандартной модели) в моделировании поведения остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии, глюоны в сильном взаимодействии, W ± и Z-бозоны в слабом взаимодействии. Следуя этой аналогии — за гравитационное взаимодействие также может отвечать некая элементарная частица.
Возможно также, что гравитоны являются квазичастицами, удобными для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени, существенно больших планковской длины и планковского времени, но непригодными для описания сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским. [источник?]
Содержание
В различных теориях
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.
Экспериментальное наблюдение
Из-за чрезвычайной слабости гравитационных взаимодействий, экспериментальное подтверждение — обнаружение отдельных гравитонов — в теории струн и других предсказывающих существование гравитонов теорий, в настоящее время не представляется возможным.
Гравитон в литературе
См. также
Источники
Полезное
Смотреть что такое «Гравитон» в других словарях:
ГРАВИТОН — квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин 2. Экспериментально пока не обнаружен … Большой Энциклопедический словарь
ГРАВИТОН — ГРАВИТОН, гипотетическая ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА, которая считается «переносчиком» гравитационной силы; предполагается, что тела, имеющие массу, постоянно обмениваются гавитонами. Аналог фотону единице измерения электромагнитных волн … Научно-технический энциклопедический словарь
ГРАВИТОН — квант гравитац. поля (поля тяготения), обладающий нулевыми массой и электрич. зарядом и спином 2 (в ед. h). Экспериментально пока не обнаружен. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров.… … Физическая энциклопедия
гравитон — сущ., кол во синонимов: 2 • люксон (4) • частица (128) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
ГРАВИТОН — необнаруженная, электрически нейтральная фундаментальная частица (не имеющая внутреннего строения) с массой покоя, равной 0; квант гравитационного поля (в квантовой теории гравитации), распространяющийся в вакууме со скоростью света. Г. относится … Большая политехническая энциклопедия
гравитон — а; мн. род. ов; м. Физ. Гипотетическая частица слабого гравитационного поля, движущаяся со скоростью света и не имеющая массы покоя. ◁ Гравитонный, ая, ое. Г ые частицы. Г. двигатель (в фантастических романах). * * * гравитон квант… … Энциклопедический словарь
гравитон — гипотетическая частица (квант) слабого гравитационного поля, движущаяся со скоростью света и не имеющая массы покоя; испусканием и поглощением гравитонов квантовая теория тяготения объясняет существование гравитационного взаимодействия. Новый… … Словарь иностранных слов русского языка
гравитон — gravitonas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. graviton vok. Graviton, n rus. гравитон, m pranc. graviton, m … Fizikos terminų žodynas
Гравитон — квант поля тяготения, имеющий нулевую массу и Спин 2. Экспериментально пока не обнаружен. См. Тяготение … Большая советская энциклопедия
ГРАВИТОН — квант гравитац. поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрич. заряд и спин 2. Экспериментально пока не обнаружен … Естествознание. Энциклопедический словарь
Гравитон
бозон
калибровочный бозон
Оглавление
обозначение
характеристики
Некоторые свойства гравитона (скорость распространения, безмассовость) также соответствуют свойствам фотона.
Суперсимметричные свойства
Фермионные партнеры в этих моделях, гравитино (Супер-партнер гравитона) со спином 1½ и Голдстино со спином 1/2 (чей Супер-партнер со спином 0 Сголдстино ).
Квантовая гравитация
С двумя до сих пор чисто гипотетическими кандидатами теории квантовой гравитации, теории струн и петлевой квантовой гравитации, существование гравитона в случае теории струн неизбежно приводит к тому, что положение в петлевой квантовой гравитации становится менее ясным. Обе теории еще не разработаны настолько, чтобы их можно было проверить экспериментально и, возможно, опровергнуть. Так что вопрос о существовании частицы, несущей гравитационную силу, все еще остается открытым.
Экспериментальные наблюдения
Возможность обнаружения гравитонов обсуждалась неоднозначно.
Фримен Дайсон выделил несколько аспектов этого вопроса, включая вопрос об обнаруживаемости в условиях (интерференционных эффектах) в текущей Вселенной, отграничение от теорий, в которых гравитация является только статистическим, возникающим эффектом, подобным энтропии, и отграничение предсказаний от расчеты, в которых гравитация входит как классическое поле.
Частицы гравитации: они существуют?
Физики-теоретики утверждают, что энергию можно черпать прямо из вакуума, используя гравитацию. Если ученым удастся показать, что это возможно, в долгосрочной перспективе это может вылиться в постулирование доказательства гравитона, частицы гравитации, и приблизить ученых на шаг ближе к разработке «теории всего», которая может объяснить работу Вселенной от самых малых до крупнейших масштабов.
Новое исследование предполагает, что может быть возможно показать существование гравитонов, используя сверхпроводящие пластины, которые измеряют явление с эзотерическим названием «гравитационный эффект Казимира».
«Самое интересное в этих результатах то, что их можно протестировать с учетом современных технологий», — заявил автор работы Джеймс Квач, физик-теоретик из Токийского университета.
Демонстрация существования гравитонов может помочь ученым, которые давно стремятся разработать «теорию всего» — универсальную теорию, описывающую работу космоса в целом. В настоящее время они используют теорию квантовой механики, чтобы объяснить работу Вселенной на самом крошечном уровне, и общую теорию относительности, чтобы объяснить работу Вселенной во вселенских масштабах. Квантовая механика может объяснить поведение всех известных частиц, а общая теория относительности описывает природу пространства-времени и гравитации.
Квантовая механика предполагает, что частицы — в том числе и неуловимый гравитон — могут вести себя одновременно как частицы и волны.
Но квантовая механика также показывает, что мир становится нечетким и расплывчатым на самых мельчайших уровнях. Например, атомы и другие фундаментальные строительные блоки существуют в состоянии «суперпозиции», то есть чуть ли не находятся в двух местах одновременно или вращаются в противоположных направлениях, тоже одновременно. Таковы следствия квантовой механики.
Поскольку квантмех предполагает, что любая из частиц может находиться не там, где мы думаем, а скорее находится сразу во всех местах, одним из многих странных следствий этой теории является то, что вакуум (совершенно пустое пространство) на самом деле содержит «виртуальные частицы», которые регулярно появляются и исчезают. Эти призрачные частицы не просто теоретические — они могут генерировать вполне ощутимую силу.
Эффект Казимира — одна из таких сил, а ее можно измерить как силу притяжения или отталкивания между зеркалами, размещенными в нескольких нанометрах друг от друга в вакууме. Отражающие поверхности могут фактически двигаться, благодаря виртуальным фотонам, или частицам света, которые появляются и исчезают в вакууме между двумя зеркалами.
В принципе, эффект Казимира может быть справедливым не только для фотонов, но и для гравитационных частиц, а значит, что гравитоны могут появляться и исчезать в вакууме между зеркалами. Если этот эффект будет обнаружен, ученые смогут доказать существование гравитонов. В свою очередь, наличие гравитонов показало бы, что гравитация обладает квантовой природой и может вести себя одновременно как частица и как волна. Это был бы важный шаг в сторону согласования квантовой механики с ОТО.
Такой «гравитационный эффект Казимира» довольно трудно обнаружить, потому что обычная материя не отражает гравитоны так же хорошо, как отражает свет. Тем не менее последние теоретические исследования показывают, что гравитоны могут отражать сверхпроводники.
Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество с нулевым сопротивлением. В сверхпроводниках электроны конденсируются в так называемую квантовую жидкость и могут течь без рассеивания энергии.
В обычных материалах, отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра или ионы, которым они принадлежат, двигаются по одним и тем же траекториям. Тем не менее в сверхпроводниках квантовой жидкости из электронов совсем не обязательно двигаться вместе с ионами, говорит Квач.
Однако отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы в сверхпроводнике будут притягиваться друг к другу. Когда входящие гравитоны пытаются заставить электроны и ионы двигаться по разным путям, притяжение между электронами и ионами может удерживать их вместе, потенциально приводя к тому, что гравитоны будут от них отражаться, говорит Квач.
В обычной материи гравитационный эффект Казимира слишком слаб, чтобы быть обнаруженным, он оказывает одну сотую миллиарда триллиона триллионной величины давления, оказываемого атмосферой Земли на уровне моря. В сверхпроводниках же, если гравитационный эффект Казимира реален, он может оказывать эффект в 10 раз сильнее, чем ожидается от виртуальных фотонов.
Остается непонятным, могут ли сверхпроводники отражать гравитационные волны в реальном мире. «Это пока просто теория, и пока не будут проведены эксперименты, мы не сможем принять ее как факт, — говорит Квач. — Тем не менее я надеюсь провести этот эксперимент».
Хотя эффект Казимира по сути позволяет извлекать энергию из вакуума, Квач отмечает, что это не значит, что энергия вакуума может обеспечить энергией весь мир.
«Эффект Казимира очень и очень слаб, — говорит Квач. — Требуется слишком много усилий, чтобы его обнаружить, не говоря уж о том, чтобы использовать его в качестве источника энергии».
Впрочем, от использования этого эффекта в качестве источника тяги для космических кораблей пока никто не отказывался.
Гравитоны
Гравитон — гипотетический квант-переносчик гравитационного взаимодействия — элементарная частица без электрического заряда со спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации. Спин гравитона равен 2 по той причине, что плоская гравитационная волна носит квадрупольный характер, переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению распространения.
Несмотря на отсутствие в настоящее время полноценной теории квантовой гравитации, возможно квантование слабых возмущений заданного гравитационного поля. В рамках такой линеаризованной теории элементарным возбуждением и является гравитон. В результате чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия, экспериментальное обнаружение отдельных гравитонов в настоящее время не представляется возможным.
Однако, попытки расширить Стандартную модель гравитонами сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий (равных или превышающих планковскую энергию) из-за возрастающей бесконечности вследствие квантовых эффектов (гравитация не ренормализуется). Этому вопросу посвящено несколько предложенных теорий квантовой гравитации (в частности, теория струн). Согласно теории струн, гравитоны (также как и другие частицы) это состояния струн, а не точечные частицы, в этом случае бесконечности не появляются, в то же время, при низких энергиях их можно рассматривать как точечные частицы. То есть гравитон — это некоторое приближение к реальности, которое можно использовать в области низких энергий.
Источники
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Гравитоны» в других словарях:
Гравитон — Гравитон гипотетическая безмассовая элементарная частица переносчик гравитационного взаимодействия без электрического заряда. Должен обладать спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации. Термин «гравитон» был предложен в… … Википедия
Поля физические — особая форма материи; физическая система, обладающая бесконечно большим числом степеней свободы. Примерами П. ф. могут служить электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие … Большая советская энциклопедия
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ — квантово полевая теория гравитационного взаимодействия. Поскольку гравитац. взаимодействие универсально (в нём одинаково участвуют все виды материи, независимо от их конкретных свойств), то считается, что построение полной, законченной К. т. г.… … Физическая энциклопедия
Калибровочный бозон — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
Безмассовые частицы — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Безмассовые частицы (люксоны) частицы, масса покоя которых равна нулю. Любая безмассовая частица может двигаться только… … Википедия
Гравитино — Гравитон гипотетический квант переносчик гравитационного взаимодействия элементарная частица без электрического заряда со спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации. Спин гравитона равен 2 по той причине, что плоская гравитационная… … Википедия
Калибровочные бозоны — В физике элементарных частиц калибровочные бозоны это бозоны, которые действуют как переносчики фундаментальных взаимодействий природы. Точнее, элементарные частицы, взаимодействия которых описываются калибровочной теорией, оказывают действие… … Википедия
ОТО — Альберт Эйнштейн автор общей теории относительности (1921 год) Общая теория относительности … Википедия
| Сочинение | Элементарная частица |
|---|---|
| Статистика | Статистика Бозе – Эйнштейна |
| Взаимодействия | Гравитация |
| Положение дел | Гипотетический |
| Символ | грамм [1] |
| Античастица | Себя |
| Теоретически | 1930-е годы [2] Имя приписано Дмитрию Блохинцеву и Ф. М. Гальперину в 1934 году. [3] |
| Масса | 0 6 × 10 −32 эВ /c 2 [4] |
| Средняя продолжительность жизни | Стабильный |
| Электрический заряд | 0 е |
| Вращение | 2 |
Если он существует, ожидается, что гравитон будет безмассовый потому что гравитационная сила имеет очень большой радиус действия и, кажется, распространяется со скоростью света. Гравитон должен быть вращение-2 бозон потому что источником гравитации является тензор энергии-импульса, второго порядка тензор (по сравнению с электромагнетизмСпин-1 фотон, источником которых является четырехканальный, тензор первого порядка). Кроме того, можно показать, что любое безмассовое поле со спином 2 вызовет силу, неотличимую от гравитации, потому что безмассовое поле со спином 2 будет взаимодействовать с тензором энергии-импульса таким же образом, как и гравитационные взаимодействия. Этот результат предполагает, что если обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон. [5]
Содержание
Теория
Предполагается, что гравитационные взаимодействия опосредованы еще неоткрытой элементарной частицей, получившей название гравитон. Три других известных силы природы опосредуются элементарными частицами: электромагнетизм посредством фотон, то сильное взаимодействие к глюоны, а слабое взаимодействие посредством W- и Z-бозоны. Все три эти силы точно описываются стандартная модель физики элементарных частиц. в классический предел, успешная теория гравитонов свела бы к общая теория относительности, что само по себе сводится к Закон всемирного тяготения Ньютона в пределе слабого поля. [6] [7] [8]
Термин гравитон был впервые введен советскими физиками в 1934 году. Дмитрий Блохинцев и Ф. Гальперин. [3]
Гравитоны и перенормировка
При описании взаимодействия гравитонов классическая теория из Диаграммы Фейнмана и полуклассические исправления, такие как однопетлевые диаграммы вести себя нормально. Тем не мение, Диаграммы Фейнмана минимум с двумя петлями ведут к ультрафиолетовые расхождения. [ нужна цитата ] Эти бесконечные результаты не могут быть удалены, потому что квантованные общая теория относительности не является пертурбативно перенормируемый, В отличие от квантовая электродинамика и такие модели, как Теория Янга – Миллса. Следовательно, неисчислимые ответы даются с помощью метода возмущений, с помощью которого физики вычисляют вероятность того, что частица испускает или поглощает гравитоны, и теория теряет предсказуемую достоверность. Эти проблемы и структура дополнительного приближения являются основанием для того, чтобы показать, что для описания поведения вблизи квантованной общей теории относительности требуется более унифицированная теория. Планковский масштаб.
Сравнение с другими силами
Гравитоны в умозрительных теориях
Теория струн предсказывает существование гравитонов и их четко определенных взаимодействия. Гравитон в теория пертурбативных струн это закрытая строка в очень специфическом низкоэнергетическом колебательном состоянии. Рассеяние гравитонов в теории струн также можно вычислить из корреляционные функции в конформная теория поля, как продиктовано AdS / CFT переписка, или от матричная теория. [ нужна цитата ]
Особенность гравитонов в теории струн заключается в том, что, будучи замкнутыми струнами без концов, они не будут связаны с браны и мог свободно перемещаться между ними. Если мы живем на бране (согласно гипотезе теории браны), эта «утечка» гравитонов из браны в пространство более высоких измерений может объяснить, почему гравитация является такой слабой силой, а гравитоны из других бран, соседних с нашей, могут дать возможное объяснение этому. темная материя. Однако, если бы гравитоны совершенно свободно перемещались между бранами, это бы слишком сильно ослабило гравитацию, что привело бы к нарушению закона обратных квадратов Ньютона. Чтобы бороться с этим, Лиза Рэндалл обнаружили, что трехбрана (такая как наша) будет иметь собственное гравитационное притяжение, препятствующее свободному дрейфу гравитонов, что, возможно, приведет к ослабленной гравитации, которую мы наблюдаем, при грубом соблюдении закона обратных квадратов Ньютона. [13] Видеть бранная космология.
Теория Ахмеда Фарага Али и Саурьи Даса добавляет квантово-механические поправки (с использованием траекторий Бома) к общей релятивистской геодезической. Если гравитонам приписать небольшую, но ненулевую массу, это могло бы объяснить космологическая постоянная без необходимости темная энергия и решить проблема малости. [14] Теория получила почетную награду на конкурсе эссе 2014 г. Фонд гравитационных исследований для объяснения малости космологической постоянной. [15] Также теория получила почетную награду на конкурсе эссе 2015 г. Фонд гравитационных исследований для естественного объяснения наблюдаемой крупномасштабной однородности и изотропии Вселенной из-за предложенных квантовых поправок. [16]
Энергия и длина волны
Предполагается, что гравитоны безмассовый, они все равно несут энергия, как и любая другая квантовая частица. Энергия фотона и глюонная энергия также переносятся безмассовыми частицами. Неясно, какие переменные могут определять энергию гравитона, количество энергии, переносимой одним гравитоном.
1700 км. Отчет [17] не уточнил источник этого соотношения. Возможно, что гравитоны не являются квантами гравитационных волн или эти два явления связаны по-разному.
Экспериментальное наблюдение
Однозначное обнаружение отдельных гравитонов, хотя и не запрещено каким-либо фундаментальным законом, невозможно с помощью любого физически разумного детектора. [18] Причина в крайне низкой поперечное сечение для взаимодействия гравитонов с веществом. Например, детектор массой Юпитер и 100% КПД, размещены на близкой орбите вокруг нейтронная звезда, можно было бы ожидать, что будет наблюдать только один гравитон каждые 10 лет, даже при самых благоприятных условиях. Было бы невозможно отделить эти события от фона нейтрино, поскольку размеры необходимого нейтринного экрана обеспечат коллапс в черная дыра. [18]
LIGO и Дева наблюдения коллабораций непосредственно обнаружен гравитационные волны. [19] [20] [21] Другие постулировали, что рассеяние гравитона порождает гравитационные волны, поскольку взаимодействия частиц дают когерентные состояния. [22] Хотя эти эксперименты не могут обнаружить отдельные гравитоны, они могут предоставить информацию об определенных свойствах гравитона. [23] Например, если бы гравитационные волны распространялись медленнее, чем c (в скорость света в вакууме), это означало бы, что гравитон имеет массу (однако гравитационные волны должны распространяться медленнее, чем c в области с ненулевой плотностью массы, если они должны быть обнаружены). [24] Недавние наблюдения гравитационных волн поставили верхнюю границу 1.2 × 10 −22 эВ /c 2 от массы гравитона. [19] Астрономические наблюдения кинематики галактик, особенно проблема вращения галактики и модифицированная ньютоновская динамика, может указывать на гравитоны с ненулевой массой. [25] [26]