Кіріспе
Гравитонның массасы нөлден тыс болатын гравитация теориясы Теориялық физикада массалық гравитация - гравитонның массасы нөлден тыс болған жағдайда жалпы салыстырмалылық теориясын өзгертетін гравитация теориясы. Классикалық теорияда бұл гравитациялық толқындар үлкен толқын теңдеуіне бағынады және сондықтан жарық жылдамдығынан төмен жылдамдықпен жүреді дегенді білдіреді.
In theoretical physics, massive gravity is a theory of gravity that modifies general relativity by endowing the graviton with a nonzero mass. In the classical theory, this means that gravitational waves obey a massive wave equation and hence travel at speeds below the speed of light.
Өмірбаян
Массивті гравитация 1930 жылдары Вольфганг Паули мен Маркус Фиерцтің кең кеңістіктегі уақыт аясындағы массалық спин 2 өрісінің теориясын алғаш рет әзірлегеніне байланысты ұзақ және қиылысқан тарихқа ие. Кейін 1970 жылдары ауыр гравитон теориясы қауіпті патологиялардан зардап шегетіні, соның ішінде жынды режим және гравитон массасы нөлге баратын шекте жалпы салыстырмалылық теориясымен үздіксіздігі анықталды. Бұл мәселелердің шешімдері біраз уақыт бойы үш кеңістікте болған, бірақ олар төрт өлшемде және одан жоғары Клаудия де Рам, Грегори Габададзе және Эндрю Толлидің жұмысына дейін шешілген жоқ (dRGT моделі) 2010 жылы. Массивті ауырлық теориясының алғашқы нұсқаларының бірі 1965 жылы Огиевский мен Полюбаринов (ОП) жасаған. OP моделі dRGT-де қайта ашылған жындысыз массалық гравитация модельдерімен сәйкес келетініне қарамастан, OP моделі массалық гравитациямен жұмыс істейтін қазіргі физиктер арасында танымал емес, мүмкін, өйткені бұл модельде қолданылатын стратегия қазіргі кезде қабылданғаннан мүлдем өзгеше болған. OP моделіне арналған екі жақты ауырлық екі жақты гравитон өрісін өзінің энергия импульсі тензорының керлімен байланыстыру арқылы алынады. Екілік гравитацияның аралас симметриялық өрісінің күші Галилеон теориясының толық симметриялық экстринзикалық қисықтық тензорымен салыстырылатындықтан, 4 D-дегі қос модельдің тиімді Лагранжианды Фадеев ЛеВерье рекурсиясынан алуға болады, ол өрістің күші ізінің полиномиалдарын қамтитын терминдерге дейін Галилеон теориясына ұқсас. Бұл Галилей теориясының екілік тұжырымдамасынан да көрінеді. Жалпы салыстырмалылық теориясының үлкен қашықтықтан қатты тартылыс әсерінен өзгеріп отыруы ғаламның үдемелі кеңеюіне ешқандай қараңғы энергияны қажет етпейтін мүмкін түсіндірме береді. Массивті гравитация және оның кеңейтулері, мысалы биметриялық гравитация, космологиялық шешімдерді бере алады, олар, шын мәнінде, бақылаулармен сәйкес кесек уақыт жылдамдауының көрінісін көрсетеді. Гравитациялық толқындарды бақылау гравитонның Комптон толқынының ұзындығын λg > 1,6 деп шектеді, оны гравитонның массасына байланысты mg < 7,7 деп түсіндіруге болады. Гравитонның массасына қатысты бәсекелестік шектер сондай-ақ Кассини және МЕССЕНЖЕР сияқты ғарыш миссиялары арқылы Күн жүйесінің өлшеулерінен алынды, олар λg > 1,83 немесе mg < 6,76 шектеуін береді.
Сызықтық массалық гравитация
Сызықтық деңгейде Минковский кеңістігінде таралатын массалық спин 2 өрісінің теориясын құрастыруға болады. Бұл сызықтық гравитацияның жалғасы ретінде келесідей қарауға болады. Сызықтық гравитация жалпы салыстырмалылықты жазық кеңістікте сызықтық ету арқылы алынады, мұнда Планк массасы гравитациялық тұрақтымен бірге. Бұл Лагранждағы кинетикалық терминге әкеледі, ол диффеоморфизм инвариантымен сәйкес келеді, сондай-ақ форманың материясына қосылу, онда стресс-энергия тензоры. Бұл кинетикалық термин мен материяның бірігуі - бұл жай кеңістікте сызықтық Эйнштейн-Хилберт әрекеті ғана. Үлкен ауырлық сызықтық деңгейде (яғни, -дағы екінші реттік) үшін деривативті емес өзара әрекеттесу терминдерін қосу арқылы алынады. Бұл жерде тек екі ықтимал массалық термин бар: Фиерц пен Паули 1939 жылы бұл тек күтілетін бес полярлануды таратып береді деп көрсетті. Жүректің теріс кинетикалық энергиясы бар. Оның гамильтониясы төменгі жағынан шектелмейді, сондықтан кез келген үлкен оң және теріс энергиялы бөлшектерге ыдырау тұрақсыз. Фиерц-Паули массалық термині, сондықтан, спин 2 өрісінің бірегей дәйекті сызықтық теориясы болып табылады.
where is the stress–energy tensor. This kinetic term and matter coupling combined are nothing other than the Einstein–Hilbert action linearized about flat space. Massive gravity is obtained by adding nonderivative interaction terms for At the linear level (i. e., second order in ), there are only two possible mass terms:
Fierz and Pauli showed in 1939 that this only propagates the expected five polarizations of a massive graviton (as compared to two for the massless case) if the coefficients are chosen so that Any other choice will unlock a sixth, ghostly degree of freedom. A ghost is a mode with a negative kinetic energy. Its Hamiltonian is unbounded from below and it is therefore unstable to decay into particles of arbitrarily large positive and negative energies. The Fierz–Pauli mass term,
is therefore the unique consistent linear theory of a massive spin 2 field.
vDVZ үздіксіздігі
1970 жылдары Хендрик ван Дам және Мартинус Ж. Г. Велтман және өз бетінше Валентин И. Захаров Фиерц Паулидің массалық тартылысының ерекше қасиеттерін анықтады: оның болжамы жалпы салыстырмалылық теориясының шекті шамаларына біркелкі түрде азаймайды. Атап айтқанда, шағын масштабтарда (гравитон массасының Комптон толқын ұзындығынан қысқа) Ньютонның гравитациялық заңы қалпына келтіріледі, жарықтың иілуі Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясында алынған нәтижесінің төрттен үш бөлігі ғана. Бұл vDVZ үздіксіздігі деп аталады. Жарықтың кішірейіп бүгілуі мынаны білдіреді. Фиерц-Паули массивті гравитоны, бұзылған диффеоморфизм инварианстығының арқасында, сызықтық жалпы салыстырмалылық теориясының массасыз гравитонына қарағанда, үш қосымша еркіндік дәрежесін таратады. Бұл үш еркіндік дәрежесі векторлық өріске, біздің мақсаттарымыз үшін маңызды емес, және скалярлық өріске бірігеді. Бұл скалярлық режим массасыз жағдаймен салыстырғанда массалы жағдайда қосымша тартылыс жасайды. Сондықтан, егер адам релятивистік емес массалардың арасындағы күшті өлшеуді келіссе, онда массалық теорияның қосқыш тұрақтысы массасыз теориядан кіші болуы керек. Бірақ жарық бүгілу скалярлық секторға көз жеткізбейді, себебі жарықтың кернеу энергиясының тензоры ізсіз. Сондықтан, егер екі теория салыстырмалы емес зондтар арасындағы күш туралы келіссе, массалық теория массасыз теорияға қарағанда жарықтың иілуі кішірек болады деп болжайды.
Вайнштейн скринингінің әдістері
Вайнштейн екі жылдан кейін vDVZ үздіксіздігі сызықтық теорияның артефактісі екенін және жалпы салыстырмалылық теориясының болжамы шын мәнінде сызықтық емес әсерлерді, яғни, квадраттық терминдерден жоғары, есептегенде, шағын масштабтарда қалпына келтіріледі деп дәлелдеді. Геуристикалық тұрғыдан айтқанда, Вайнштейн радиусы деп аталатын аймақта скалярлық режимнің ауытқулары сызықтық емес болады, ал оның жоғары реттік туындылары каноникалық кинетикалық терминнен үлкен болады. Сондықтан скалярды осы фонның айналасында каноникалық қалыпқа келтіру қатты басқынған кинетикалық терминге әкеледі, бұл скалярдың Вайнштейн радиусы ішіндегі ауытқуларын басады. Скаляр арқылы берілетін қосымша күш оның градиентіне пропорционалды болғандықтан, бұл тек сызықтық Фиерц-Паули теориясын пайдалану арқылы есептелгеннен әлдеқайда кіші қосымша күшке әкеледі. Вайнштейн скринингі деп аталатын бұл құбылыс тек ауырлықта ғана емес, сонымен қатар ДГП және кейбір скалярлы тензорлық теориялар сияқты модификацияланған ауырлық теорияларында да ойнайды, онда күн жүйесіндегі модификацияланған ауырлықтың әсерін жасыру үшін өте маңызды. Бұл теорияларға жер және Күн жүйесінің ауырлық сынақтарын жалпы салыстырмалылық теориясымен бірдей сәйкес келтіруге мүмкіндік береді, ал үлкен қашықтықтарда үлкен ауытқуларды сақтайды. Осылайша бұл теориялар ғаламдық жылдамдыққа әкелуі мүмкін және ғаламның кең ауқымды құрылымында үйге жақын бақылаулардан басқа, әлдеқайда қатаң шектеулерге тап келмей, байқалатын іздер бар.
Космология
Егер гравитонның массасы Хаббл жылдамдығына тең болса, онда космологиялық қашықтықтан массалық термин ғаламдық жылдамдыққа әкелетін кері әсер ететін гравитациялық әсерді тудырады. Себебі, шамамен айтқанда, шектегі диффеоморфизмнің симетриясы гравитонның кішкентай массасын үлкен кванттық түзетулерден қорғайды, сондықтан таңдау шын мәнінде техникалық жағынан табиғи. Осылайша, ауырлық күші космологиялық тұрақты мәселенің шешімін табуы мүмкін: неге кванттық түзетулер ғаламның өте ерте уақытта жылдамдауына себеп болмайды? Алайда, FriedmannLemaîtreRobertsonWalker космологиялық шешімдерінің жалпақ және жабық екендігі dRGT массалық гравитацияда жазық эталондық метрикамен жоқ екендігі анықталды. Сондықтан, өмір сүруші космологиялар тек егер ғаламның үлкен масштабтарда біркелкі екендігі туралы космологиялық принципті тастап кетсе немесе басқаша dRGT-ді жалпыласа, онда ғана үлкен гравитацияда кездеседі. Мысалы, космологиялық шешімдер үлкен гравитацияда жақсырақ әрекет етеді, бұл тұрақсыздықтар сызықтық емес динамикада (Вайнштейн сияқты механизм арқылы) немесе тұрақсыздық дәуірін өте ерте ғаламға итеріп, шешім таба алады. және кейінгі бақылаулар гравитонның ең үлкен массасына шектеулер берді, егер олар мүлдем үлкен болса. GW170104 оқиғасынан кейін гравитонның Комптон толқын ұзындығы кем дегенде 1,6 немесе шамамен 1,6 жарық жылы деп анықталды, бұл гравитонның массасы 7,7-ден аспайды. Толқын ұзындығы мен энергия арасындағы бұл байланыс электромагниттік толқын ұзындығын фотондар энергиясына байланыстыратын бір формуламен (Планк-Эйнштейн қатынасы) есептеледі. Алайда, тек энергиясы бар және массасы жоқ фотондар бұл жағынан массалық гравитондардан түбегейлі өзгеше, өйткені гравитонның Комптон толқын ұзындығы гравитациялық толқын ұзындығына тең емес. Оның орнына, төменгі шектелген гравитонның Комптон толқын ұзындығы GW170104 оқиғасының гравитациялық толқын ұзындығынан шамамен 9 есе үлкен, ол ~ 1,700 км болды. Себебі Комптоның толқын ұзындығы гравитонның тыныштықтағы массасымен анықталады және ол инвариант скалярлық шама болып табылады.