Hypothetical elementary particle that mediates gravity
the hypothetical particle
Кванттық гравитация теорияларында гравитон – гравитацияның гипотетикалық кванты, гравитациялық өзара әсер күшін таратушы элементарлық бөлшек. Жалпы салыстырмалылық теориясындағы қайта нормалаумен байланысты математикалық мәселе кезінде гравитонның толық кванттық өріс теориясы әлі құрылмаған. Кванттық гравитацияның біртұтас теориясы деп саналатын ішектік теориясында гравитон – негізгі ішектің массасыз күйі. Егер ол бар болса, гравитонның массасыз болуы күтіледі, себебі гравитация күші өте ұзаққа созылады және жарық жылдамдығымен таралады. Гравитон спин 2 бозоны болуы керек, өйткені гравитацияның көзі – екінші реттік тензор (электромагнетизмнің спин 1 фотонымен салыстырғанда, оның көзі – төрттік ток, бірінші реттік тензор). Сонымен қатар, кез келген массасыз спин 2 өрісі гравитациядан ажыратылмайтын күшті тудырады, себебі массасыз спин 2 өрісі гравитациялық өзара әрекеттесулер сияқты стресс-энергия тензорымен байланысады. Осы нәтижеге сәйкес, егер массасыз спин 2 бөлшегі табылатын болса, ол гравитон болуы керек.
In theories of quantum gravity, the graviton is the hypothetical quantum of gravity, an elementary particle that mediates the force of gravitational interaction. There is no complete quantum field theory of gravitons due to an outstanding mathematical problem with renormalization in general relativity. In string theory, believed by some to be a consistent theory of quantum gravity, the graviton is a massless state of a fundamental string. If it exists, the graviton is expected to be massless because the gravitational force has a very long range, and appears to propagate at the speed of light. The graviton must be a spin 2 boson because the source of gravitation is the stress–energy tensor, a second order tensor (compared with electromagnetism's spin 1 photon, the source of which is the four current, a first order tensor). Additionally, it can be shown that any massless spin 2 field would give rise to a force indistinguishable from gravitation, because a massless spin 2 field would couple to the stress–energy tensor in the same way gravitational interactions do. This result suggests that, if a massless spin 2 particle is discovered, it must be the graviton.
Теория
Гравитациялық өзара әрекеттесулер әлі ашылмаған, гравитон деп аталатын элементар бөлшектің арқасында жүзеге асады деп болжанады. Табиғаттың тағы үш белгілі күші элементар бөлшектермен көмектеседі: электромагнетизм фотон арқылы, күшті өзара әрекеттесу глюондар арқылы және әлсіз өзара әрекеттесу W және Z бозондары арқылы. Бұл үш күштің барлығы да бөлшектер физикасының Стандартты моделімен дәл сипатталғандай көрінеді. Классикалық лимитте, гравитонның сәтті теориясы жалпы салыстырмалылыққа дейін келеді, ал ол әлсіз өріс лимитінде Ньютонның гравитация заңына дейін келеді.
It is hypothesized that gravitational interactions are mediated by an as yet undiscovered elementary particle, dubbed the graviton. The three other known forces of nature are mediated by elementary particles: electromagnetism by the photon, the strong interaction by gluons, and the weak interaction by the W and Z bosons. All three of these forces appear to be accurately described by the Standard Model of particle physics. In the classical limit, a successful theory of gravitons would reduce to general relativity, which itself reduces to Newton's law of gravitation in the weak field limit.
Тарих
Альберт Эйнштейн 1916 жылы, жалпы салыстырмалылық теориясын жариялағаннан кейінгі жылы квантталған гравитациялық сәулелену туралы талқылады. Пауль Дирак 1959 жылы бірнеше лекциясында бұл терминді қайта енгізіп, гравитациялық өрістің энергиясы кванттар түрінде болуы керек екенін айтты. Гравитациялық өзара әрекеттесуді бөлшектер арқылы жүзеге асыру мүмкіндігін Пьер Симон Лаплас алдын ала болжаған. Ньютон фотондарды болжағандай, Лапластың болжаған "гравитондары" вакуумдағы жарық жылдамдығынан жоғары жылдамдыққа ие болды – қазіргі теорияларда күтілетін гравитон жылдамдығы, және кванттық механикамен немесе арнайы салыстырмалылық теориясымен байланысты емес, себебі бұл теориялар Лапластың өмірінде әлі тумаған еді.
Albert Einstein discussed quantized gravitational radiation in 1916, the year following his publication of general relativity. Paul Dirac reintroduced the term in a number of lectures in 1959, noting that the energy of the gravitational field should come in quanta. A mediation of the gravitational interaction by particles was anticipated by Pierre Simon Laplace. Just like Newton's anticipation of photons, Laplace's anticipated "gravitons" had a greater speed than the speed of light in vacuum , the speed of gravitons expected in modern theories, and were not connected to quantum mechanics or special relativity, since these theories didn't yet exist during Laplace's lifetime.
Гравитондар мен қайта қалыпқа келтіру
Гравитондық өзара әрекеттесулерді сипаттағанда, Фейнман диаграммаларының классикалық теориясы және бір циклдық диаграммалар сияқты жартылай классикалық түзетулер әдеттегідей жұмыс істейді. Дегенмен, ең болмағанда екі циклдық Фейнман диаграммалары ультракөк сәулелік дивергенцияларға алып келеді. Бұл шексіз нәтижелерді жою мүмкін емес, себебі квантталған жалпы салыстырмалылық теориясы, кванттық электродинамика және Янг-Миллс теориясы сияқты модельдерден өзгеше, бұрыстыру арқылы қайта нормалдануға жатпайды. Сондықтан, физиктер бөлшектің гравитонды шығаруы немесе сіңіруінің ықтималдығын есептеу үшін қолданатын бұрыстыру әдісімен есептеуге келмейтін нәтижелер алынады, және теорияның болжамдық дұрыстығы төмендейді. Осы мәселелер және толықтыратын жуықтау жүйесі Планк масштабына жақын құбылыстарды сипаттау үшін квантталған жалпы салыстырмалылық теориясынан гөрі біріктірілген теорияның қажеттігін көрсетуге негіз болады.
When describing graviton interactions, the classical theory of Feynman diagrams and semiclassical corrections such as one loop diagrams behave normally. However, Feynman diagrams with at least two loops lead to ultraviolet divergences. These infinite results cannot be removed because quantized general relativity is not perturbatively renormalizable, unlike quantum electrodynamics and models such as the Yang–Mills theory. Therefore, incalculable answers are found from the perturbation method by which physicists calculate the probability of a particle to emit or absorb gravitons, and the theory loses predictive veracity. Those problems and the complementary approximation framework are grounds to show that a theory more unified than quantized general relativity is required to describe the behavior near the Planck scale.
Басқа күштермен салыстыру
Басқа күштердің күш тасымалдаушылары сияқты (мысалы, фотон, глюон, W және Z бозондары), гравитон жалпы салыстырмалылық теориясында оқиғалар өтетін кеңістік-уақытты анықтауда маңызды рөл атқарады. Кейбір түсіндірулерде энергияның өзі кеңістік-уақыттың "түрін" өзгертеді, ал гравитация осы түрдің салдары болып табылады. Бұл идея, көз тартарлықтай, бөлшектер арасында әрекет ететін күш тұжырымымен үйлесуі қиын көрінеді. Теорияның диффеоморфизм инварианттығы кез келген нақты кеңістік-уақыт фонды "шынайы" фон ретінде бөліп көрсетуге жол бермейді, сондықтан жалпы салыстырмалылық теориясы фонға тәуелсіз деп есептеледі. Ал, Стандартты модель фонға тәуелді, Минковский кеңістігі тұрақты фондық кеңістік-уақыт ретінде ерекше статусқа ие. Бұл қарама-қайшылықтарды шешу үшін кванттық гравитация теориясы қажет. Осы теорияның фонға тәуелсіз болуы керек пе, жоқ па деген мәселе әлі де ашық. Осы сұраққа берілген жауап ғаламның болашағында гравитацияның қандай рөл атқаратынын түсінуге бағыт береді.
Like the force carriers of the other forces (see photon, gluon, W and Z bosons), the graviton plays a role in general relativity, in defining the spacetime in which events take place. In some descriptions energy modifies the "shape" of spacetime itself, and gravity is a result of this shape, an idea which at first glance may appear hard to match with the idea of a force acting between particles. Because the diffeomorphism invariance of the theory does not allow any particular space time background to be singled out as the "true" space time background, general relativity is said to be background independent. In contrast, the Standard Model is not background independent, with Minkowski space enjoying a special status as the fixed background space time. A theory of quantum gravity is needed in order to reconcile these differences. Whether this theory should be background independent is an open question. The answer to this question will determine the understanding of what specific role gravitation plays in the fate of the universe.
Энергия және толқын ұзындығы
Гравитондар массасыз деп есептелгенімен, олар кез келген кванттық бөлшек сияқты энергия тасымалдайды. Фотон энергиясы және глюон энергиясы да массасыз бөлшектермен тасымалданады. Гравитон энергиясын анықтайтын, яғни бір гравитонның тасымалдайтын энергия мөлшерін анықтайтын факторлар белгісіз. Егер гравитондардың массасы болса, гравитациялық толқындарды зерттеу гравитон массасының жоғарғы шегін жаңадан анықтады. Гравитонның Комптон толқын ұзындығы кем дегенде 1,6, шамамен 1,6 жарық жылына тең, бұл гравитон массасы 7,7-ден аспайды дегенді білдіреді. Бұл толқын ұзындығы мен масса-энергия арасындағы байланыс Планк-Эйнштейн қатынасы арқылы есептеледі – дәл осы формула электромагниттік толқын ұзындығын фотон энергиясымен байланыстырады.
While gravitons are presumed to be massless, they would still carry energy, as does any other quantum particle. Photon energy and gluon energy are also carried by massless particles. It is unclear which variables might determine graviton energy, the amount of energy carried by a single graviton. Alternatively, if gravitons are massive at all, the analysis of gravitational waves yielded a new upper bound on the mass of gravitons. The graviton's Compton wavelength is at least 1.6, or about 1.6 light years, corresponding to a graviton mass of no more than 7.7. This relation between wavelength and mass energy is calculated with the Planck–Einstein relation, the same formula that relates electromagnetic wavelength to photon energy.
Эксперименттік байқау
Жеке гравитондарды нақты анықтау, ешқандай негізгі заңмен тыйым салынбағанымен, физикалық тұрғыдан ақылға қонымды кез келген детектормен мүмкін емес. Бұның себебі – гравитонның материямен өзара әрекеттесу қимасының өте төмен болуы. Мысалы, Юпитер массасымен және 100% тиімділікпен, нейтронды жұлдыздың жанындағы орбитаға орналастырылған детектор, ең қолайлы жағдайларда да, 10 жылда бір гравитонды ғана байқай алады деп күтіледі. Мұндай оқиғаларды нейтринолардың фонынан ажырату мүмкін емес, себебі қажетті нейтрино қалқанының мөлшері қара тесікке құлауға себеп болар еді. Басқалар гравитонның шашырауы бөлшектердің өзара әрекеттесуі сияқты, когерентті күйлерді тудыратын гравитациялық толқындарды жасайды деп болжайды. Бұл эксперименттер жеке гравитондарды анықтамаса да, гравитонның кейбір қасиеттері туралы ақпарат бере алады. Мысалы, егер гравитациялық толқындар вакуумдағы жарық жылдамдығынан (c) баяу жылдамдықпен таралатыны байқалса, онда гравитонның массасы бар деген қорытындыға келуге болады (бірақ гравитациялық толқындар, оларды анықтау үшін, нөлдік емес массалық тығыздық аймағында c-ден баяу таралуы керек). Жақында гравитациялық толқындарды бақылау нәтижесінде гравитон массасының жоғарғы шегі 1,2-ге тең деп белгіленді.
Unambiguous detection of individual gravitons, though not prohibited by any fundamental law, is impossible with any physically reasonable detector. The reason is the extremely low cross section for the interaction of gravitons with matter. For example, a detector with the mass of Jupiter and 100% efficiency, placed in close orbit around a neutron star, would only be expected to observe one graviton every 10 years, even under the most favorable conditions. It would be impossible to discriminate these events from the background of neutrinos, since the dimensions of the required neutrino shield would ensure collapse into a black hole. Others have postulated that graviton scattering yields gravitational waves as particle interactions yield coherent states. Although these experiments cannot detect individual gravitons, they might provide information about certain properties of the graviton. For example, if gravitational waves were observed to propagate slower than c (the speed of light in vacuum), that would imply that the graviton has mass (however, gravitational waves must propagate slower than c in a region with non zero mass density if they are to be detectable). Recent observations of gravitational waves have put an upper bound of 1.2 on the graviton's mass.
Қиындықтар мен шешілмеген мәселелер
Гравитонды қамтитын теориялардың көпшілігі ауыр проблемаларға тап болады. Стандартты модельді немесе басқа кванттық өріс теорияларын гравитондарды қосу арқылы кеңейту әрекеттері Планк шкаласына жақын немесе одан жоғары энергиялардағы күрделі теориялық қиындықтарға соқтырады. Бұл кванттық эффектілерден туындаған шексіздіктерге байланысты; техникалық тұрғыдан алғанда, гравитация нормализацияланбайды. Классикалық жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механика мұндай энергияларда қақтығысатындықтан, теориялық тұрғыдан алғанда, бұл жағдай қабылдауға келмейді. Мүмкін болатын бір шешім – бөлшектерді ішектермен алмастыру. Ішек теориялары – бұл гравитацияның кванттық теориялары, олар төмен энергияда классикалық жалпы салыстырмалылық теориясы мен өріс теориясына дейін тоғады, бірақ толыққанды кванттық механикалық болып табылады, гравитонды қамтиды және математикалық тұрғыдан дұрыс деп есептеледі.
Most theories containing gravitons suffer from severe problems. Attempts to extend the Standard Model or other quantum field theories by adding gravitons run into serious theoretical difficulties at energies close to or above the Planck scale. This is because of infinities arising due to quantum effects; technically, gravitation is not renormalizable. Since classical general relativity and quantum mechanics seem to be incompatible at such energies, from a theoretical point of view, this situation is not tenable. One possible solution is to replace particles with strings. String theories are quantum theories of gravity in the sense that they reduce to classical general relativity plus field theory at low energies, but are fully quantum mechanical, contain a graviton, and are thought to be mathematically consistent.