Введение

Гипотетическая элементарная частица, опосредующая гравитацию – гипотетическая частица.

В теориях квантовой гравитации гравитон — это гипотетический квант гравитации, элементарная частица, которая опосредует силу гравитационного взаимодействия. Полной квантовой теории поля гравитонов не существует из-за нерешенной математической проблемы с перенормировкой в общей теории относительности. В теории струн, которую некоторые считают непротиворечивой теорией квантовой гравитации, гравитон представляет собой безмассовое состояние фундаментальной струны. Если он существует, то, как ожидается, гравитон будет безмассовым, поскольку гравитационная сила имеет очень большой радиус действия и, по-видимому, распространяется со скоростью света. Гравитон должен быть бозоном со спином 2, поскольку источником гравитации является тензор энергии-импульса, тензор второго ранга (в отличие от фотона электромагнетизма со спином 1, источником которого является четырехток, тензор первого ранга). Кроме того, можно показать, что любое безмассовое поле со спином 2 породит силу, неразличимую от гравитации, поскольку такое поле будет взаимодействовать с тензором энергии-импульса так же, как и гравитационные взаимодействия. Этот результат позволяет предположить, что если будет обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон.

Теория

Предполагается, что гравитационные взаимодействия передаются посредством еще не открытой элементарной частицы, называемой гравитоном. Три другие известные силы природы также передаются элементарными частицами: электромагнетизм – фотонами, сильное взаимодействие – глюонами, а слабое взаимодействие – W и Z-бозонами. Все три эти силы, по всей видимости, точно описываются Стандартной моделью физики частиц. В классическом пределе успешная теория гравитонов должна сводиться к общей теории относительности, которая, в свою очередь, сводится к закону всемирного тяготения Ньютона в пределе слабых полей.

История

Альберт Эйнштейн обсудил квантованное гравитационное излучение в 1916 году, последовавшем за публикацией его общей теории относительности. Пол Дирак вновь ввёл этот термин в ряде лекций в 1959 году, отметив, что энергия гравитационного поля должна исходить дискретными порциями. Возможность опосредования гравитационного взаимодействия частицами была предвосхищена Пьером Симоном Лапласом. Подобно тому, как Ньютон предсказал фотоны, "гравитоны", предсказанные Лапласом, имели скорость, превышающую скорость света в вакууме – скорость, которую ожидают для гравитонов в современных теориях, – и не были связаны с квантовой механикой или специальной теорией относительности, поскольку эти теории ещё не существовали во времена Лапласа.

Гравитоны и ренормализация

При описании гравитонных взаимодействий классическая теория диаграмм Фейнмана и полуклассические поправки, такие как диаграммы одной петли, ведут себя как обычно. Однако диаграммы Фейнмана, содержащие по крайней мере две петли, приводят к ультрафиолетовым расхождениям. Эти бесконечные результаты нельзя устранить, поскольку квантованная общая теория относительности не является перенормируемой в рамках теории возмущений, в отличие от квантовой электродинамики и моделей, таких как теория Янга — Миллса. Следовательно, метод теории возмущений, используемый физиками для вычисления вероятности излучения или поглощения гравитонов частицей, даёт невычислимые результаты, и теория теряет свою предсказательную силу. Эти проблемы, а также альтернативный приближённый подход, указывают на необходимость более фундаментальной теории, чем квантованная общая теория относительности, для описания поведения вблизи планковской шкалы.

Сравнение с другими силами

Как и носители сил других взаимодействий (см. фотон, глюон, W и Z бозоны), гравитон играет роль в общей теории относительности, определяя пространство-время, в котором происходят события. В некоторых описаниях энергия модифицирует "геометрию" самого пространства-времени, а гравитация является результатом этой геометрии – идея, которая на первый взгляд может показаться трудно совместимой с представлением о силе, действующей между частицами. Поскольку диффеоморфная инвариантность теории не позволяет выделить какое-либо конкретное пространственно-временное поле как "истинное" фоновое поле, общая теория относительности считается не зависящей от фона. В отличие от этого, Стандартная модель зависима от фона, при этом пространство Минковского обладает особым статусом фиксированного фонового пространства-времени. Для согласования этих различий необходима теория квантовой гравитации. Вопрос о том, должна ли эта теория быть не зависящей от фона, остаётся открытым. Ответ на этот вопрос определит наше понимание конкретной роли гравитации в судьбе Вселенной.

Энергия и длина волны

Хотя гравитоны, как предполагается, не имеют массы, они всё равно будут переносить энергию, как и любая другая квантовая частица. Энергию фотонов и глюонов также переносят безмассовые частицы. Неясно, какие параметры могут определять энергию гравитона, то есть количество энергии, переносимое одним гравитоном. В качестве альтернативы, если гравитоны обладают массой, анализ гравитационных волн установил новый верхний предел массы гравитона. Длина волны Комптона гравитона составляет не менее 1,6, а примерно 1,6 световых лет, что соответствует массе гравитона не более 7,7. Эта связь между длиной волны и массой-энергией вычисляется с использованием соотношения Планка — Эйнштейна, той же формулы, которая связывает длину волны электромагнитного излучения с энергией фотона.

Экспериментальное наблюдение

Недвусмысленное обнаружение отдельных гравитонов, хотя и не запрещено никаким фундаментальным законом, невозможно с помощью любого физически реализуемого детектора. Причина заключается в крайне малом сечении взаимодействия гравитонов с веществом. Например, детектор с массой Юпитера и 100% эффективностью, расположенный на близкой орбите вокруг нейтронной звезды, должен был бы зарегистрировать всего один гравитон каждые 10 лет, даже в самых благоприятных условиях. Отличить эти события от фонового шума нейтрино было бы невозможно, поскольку размеры необходимой защиты от нейтрино привели бы к гравитационному коллапсу в черную дыру. Некоторые исследователи предположили, что рассеяние гравитонов порождает гравитационные волны, подобно тому, как взаимодействие частиц порождает когерентные состояния. Хотя эти эксперименты не способны обнаружить отдельные гравитоны, они могут предоставить информацию об определенных свойствах гравитона. Например, если бы было обнаружено, что гравитационные волны распространяются медленнее скорости света в вакууме (c), это означало бы, что гравитон обладает массой (однако гравитационные волны должны распространяться медленнее, чем c, в области с ненулевой плотностью массы, чтобы быть вообще обнаружимыми). Недавние наблюдения гравитационных волн установили верхний предел массы гравитона, равный 1,2.

Трудности и нерешенные вопросы

Большинство теорий, содержащих гравитоны, сталкиваются с серьезными проблемами. Попытки расширить Стандартную модель или другие квантовые теории поля, добавляя гравитоны, наталкиваются на серьезные теоретические трудности при энергиях, близких к планковской шкале или превышающих её. Это происходит из-за бесконечностей, возникающих вследствие квантовых эффектов; технически, гравитация не перенормируема. Поскольку классическая общая теория относительности и квантовая механика представляются несовместимыми при таких энергиях, с теоретической точки зрения, данная ситуация неприемлема. Одним из возможных решений является замена частиц струнами. Теории струн представляют собой квантовые теории гравитации в том смысле, что они переходят в классическую общую теорию относительности вместе с теорией поля при низких энергиях, но при этом являются полностью квантово-механическими, содержат гравитон и считаются математически согласованными.