Graviton

Graviton  ( G )
Compus Particulă elementară
O familie boson
grup Bosonul gauge
Participă la interacțiuni Gravitație [1]
Antiparticulă El însuși ( G ), conform altor surse - antigraviton (cu spin 1) [2]
stare Ipotetic
Greutate 0 (teorie), < 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 [3] (limită superioară experimentală)
Durata de viață > ani [4]
canale de degradare grajd
Teoretic justificat Anii 1930 [5]
sunt adesea atribuiți lucrării din 1934 a lui D. I. Blokhintsev și F. M. Galperin [6]
numere cuantice
Incarcare electrica 0
număr barion 0
Numărul Lepton 0
A învârti 2 g _
Paritate +1
Paritate de taxare +1

Graviton  - o particulă elementară ipotetică fără masă  - un purtător al interacțiunii gravitaționale și un cuantum al unui câmp gravitațional fără sarcini electrice și alte sarcini (cu toate acestea, are energie și, prin urmare, participă la interacțiunea gravitațională). Trebuie să aibă spin 2 și două direcții posibile de polarizare . Se presupune că se mișcă mereu cu viteza luminii .

Termenul de „graviton” a fost propus în anii 1930 , adesea atribuit lucrării din 1934 de D. I. Blokhintsev și F. M. Galperin [7] [8] .

Ipoteza existenței gravitonilor a apărut ca o consecință a principiului dualității undă-particulă pentru descrierea câmpului gravitațional și a succesului teoriei câmpului cuantic (în special Modelul Standard ) în modelarea comportamentului altor interacțiuni fundamentale folosind particule similare: fotonii . în interacţiunea electromagnetică , gluoni în interacţiunea puternică , bosonii W ± şi Z în interacţiunea slabă . Urmând această analogie, o particulă elementară poate fi, de asemenea, responsabilă pentru interacțiunea gravitațională [9] .

Este, de asemenea, posibil ca gravitonii să fie cvasiparticule , convenabile pentru descrierea câmpurilor gravitaționale slabe pe scări de lungime și timp mult mai mari decât lungimea Planck și timpul Planck , dar nepotriviți pentru descrierea câmpurilor și proceselor puternice cu scale caracteristice apropiate de cea a lui Planck. [10] [11]

În diverse teorii

Spinul gravitonului presupus este egal pentru că o undă gravitațională plană are un caracter cvadrupol , trecând în sine atunci când este rotită cu 180 ° în jurul unei axe paralele cu direcția de propagare. De asemenea, rezultă din numărul de componente independente ale funcțiilor de undă ale câmpului gravitațional, care sunt potențiale gravitaționale. Din cele zece componente ale tensorului potențialului gravitațional, datorită urmei zero și a patru condiții suplimentare de gabarit (similar cu gabaritul Lorentz în electrodinamică) , rămân componente independente. Datorită formulei , [12] care raportează valoarea spinului cu numărul de componente ale funcțiilor de undă ale câmpului , se obține valoarea spinului gravitonului [13] .

Din punctul de vedere al teoriei cuantice a câmpului, principiul echivalenței forțelor gravitaționale și inerției este o consecință a cerinței invarianței Lorentz pentru gravitoni (particule fără masă cu spin ), deoarece cerința invarianței Lorentz conduce la invarianța gauge. a teoriei, iar principiul covarianței generale , care este o generalizare a principiului invarianței gauge , este o expresie matematică a principiului echivalenței [14] [15] [16] .

Încercările de extindere a modelului standard cu gravitoni se confruntă cu dificultăți teoretice serioase în regiunea energiilor înalte (egale sau mai mari decât energia Planck ) din cauza divergențelor efectelor cuantice (gravitația nu se renormalizează ). O altă problemă este că în descrierea matematică a câmpurilor care descriu particule elementare cu spin întreg, o densitate de energie definită pozitiv poate fi introdusă numai pentru particulele cu spin și , iar gravitonul are un spin [17] .

Rezolvarea acestor întrebări a fost motivul din spatele construirii mai multor teorii propuse ale gravitației cuantice (o încercare în special este teoria corzilor ). În ciuda absenței în prezent a unei teorii cu drepturi depline a gravitației cuantice, este posibilă cuantificarea perturbațiilor slabe ale unui câmp gravitațional dat în primul rând conform teoriei perturbațiilor. În cadrul unei astfel de teorii linearizate , excitația elementară este gravitonul [18] .

În teoriile supergravitației este introdus și gravitinoul (spin - 3/2 ) - superpartenerul gravitonului .

În teoria corzilor , gravitonii, ca și alte particule, sunt stări ale șirurilor, nu particule punctiforme, caz în care infinitele nu apar. În același timp, la energii scăzute, aceste excitații pot fi considerate particule punctiforme. Adică gravitonul, ca și alte particule elementare, este o aproximare a realității care poate fi folosită în regiunea cu energie scăzută.

Conform teoriei gravitației cuantice în buclă , gravitonii sunt cuante de deplasare ale spațiu-timpului [19] .

Gravitonii sunt, de asemenea, introduși în mod obișnuit în versiunile cuantice ale teoriilor alternative ale gravitației . În unele dintre ele, gravitonul are masă [20] .

Se crede că densitatea de energie a gravitonilor relicte, formate în primele secunde după Big Bang , este în prezent aproximativ densitatea de energie a fotonilor relicte. [21]

Prin analogie cu electrodinamica cuantică, probabilitățile de emisie a gravitonului în timpul dezintegrarii [22] , împrăștierea particulelor elementare [23] , anihilarea perechilor electron-pozitron [24] , cu efectul Compton [25] , și în ciocnirile de înaltă energie se calculează hadronii [26] .

Deplasarea periheliului lui Mercur , din punctul de vedere al conceptului de graviton, se explică prin contribuția la interacțiunea gravitațională a lui Mercur și a Soarelui a proceselor descrise în limbajul diagramelor Feynman prin diagrame cu interacțiunea virtuală. gravitoni unul cu altul [27]

Antigravitonul are spin 1 [2] .

Studii experimentale și observaționale

Datorită slăbiciunii extreme a interacțiunilor gravitaționale, confirmarea experimentală a existenței unui graviton (adică detectarea gravitonilor individuali care se propagă liber ) conform teoriilor care prezic existența gravitonilor ( teoria corzilor , relativitatea generală liniarizată cuantizată etc.) este momentan nu este posibilă, deoarece formarea gravitonilor reali va deveni vizibilă doar la energiile de interacțiune din sistemul de centru de masă al particulelor care se ciocnesc de ordinul energiei Planck [28] [29] [9] .

Cu toate acestea, dacă teoriile despre spațiul nou-dimensional cu dimensiuni ascunse se dovedesc a fi corecte, atunci este de așteptat ca gravitonii să poată fi detectați prin energia pe care o transportă după ce s-au format în procesele de ciocnire a particulelor elementare la energii de 100 TeV . 30] .

Pe 11 februarie 2016, colaborările LIGO și VIRGO au anunțat prima observare directă a undelor gravitaționale [31] . Conform acestei înregistrări a undelor gravitaționale, dispersia lor sa dovedit a fi compatibilă cu gravitonul fără masă (limita superioară a masei gravitonului m g a fost estimată ca 1,2 × 10 −22 eV/ c 2 , lungimea de undă Compton a gravitonului λ g = h/cm g nu este mai mică de 10 13 km ) [32] [33] [34] , iar viteza undelor gravitaționale este egală cu viteza luminii în cadrul preciziei de măsurare [35] .

Există, de asemenea, o estimare mai strictă, dar mai dependentă de model a limitei superioare a masei gravitonului m g < 2 × 10 −62 g (sau 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 ) [3] . Rezultă din amploarea observată a câmpurilor gravitaționale ale clusterelor galactice din spațiu și se bazează pe faptul că în prezența masei în bosonul purtător de câmp, potențialul de interacțiune scade cu distanța nu conform legii r −1 (ca în cazul câmpurilor fără masă), dar mult mai rapid, proporțional cu r −1 exp(− rm g c/h ) ( potențial Yukawa ).

Observațiile lui GW170817 au dat o estimare a limitei inferioare a duratei de viață a gravitonului - 4,5 × 108 ani . [patru]

Graviton în cultura populară

Tema controlului gravitației este adesea folosită ca o presupunere fantastică în science fiction (în special, ca tehnologie care face călătoriile în spațiu accesibile ), uneori fiind menționate și gravitonii [36] . Astfel, în opera spațială „ Griada ” de A. Kolpakov , scrisă la începutul anilor 1960, nava Urania este echipată cu un motor graviton [37]

În serialul cult de televiziune științifico-fantastică Star Trek , navele stelare sunt echipate cu tehnologii bazate pe graviton [38] , cum ar fi gravitația artificială, deflectorul de navigație, câmpurile de forță de nivel scăzut etc. În același timp, așa cum a remarcat Lawrence Krauss , când a descris tehnologii precum „ emisia de gravitoni coerenți ”, care este folosit pentru curbura spațiului, autorii folosesc cel puțin o terminologie adecvată din punctul de vedere al fizicii moderne [39] .

Ca element al anturajului, gravitonii se găsesc și în alte lucrări științifico-fantastice, de exemplu, în filmul „ După Pământ ”, în timpul zborului către Pământ , apare o vibrație a gravitonilor în corpul navei spațiale, ceea ce provoacă o expansiune a maselor. , și, la rândul său, atrage un flux de asteroizi [40 ] .

Numele „ Graviton ” a fost principalul premiu profesional din Bulgaria în domeniul literaturii și artei fantastice, acordat din 1991 până în 2005 [41] .

Vezi și

Surse

  1. ↑ Lumea uimitoare din interiorul nucleului atomic Întrebări după prelegere . Consultat la 28 octombrie 2014. Arhivat din original la 15 iulie 2015.
  2. ↑ 1 2 Mostepanenko V. , Ph.D. Efectul Casimir // Știință și viață. - 1989. - Nr. 12. - S. 144-145.
  3. ↑ 1 2 Goldhaber AS, Nieto MM Mass of the graviton // Physical Review D. - 1974. - Vol. 9. - P. 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 Limits on the number of spacetime dimensions from GW170817 Arhivat 3 noiembrie 2019 la Wayback Machine
  5. ↑ Rovelli, C. (2001), Note pentru o scurtă istorie a gravitației cuantice, arΧiv : gr-qc/0006061 [gr-qc].  
  6. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Ipoteza neutrinului și legea conservării energiei  (neopr.)  // Sub steagul marxismului . - 1934. - T. 6 . - S. 147-157 . (Rusă)  
  7. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Ipoteza neutrinului și legea conservării energiei. Sub steagul marxismului, 6 (1934) 147-157.
  8. ↑ Gorelik G. E. Matvey Bronstein și gravitația cuantică. La 70 de ani de la problema nerezolvată  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Academia Rusă de Științe , 2005. - T. 175 , nr. 10 . - S. 1093-1108 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200510h.1093 .
  9. ↑ 1 2 PostNauka 5 iunie 2015 Sergey Blinnikov Ce este gravitonul? Arhivat pe 22 septembrie 2018 la Wayback Machine
  10. ↑

    Problema comparării corpusculilor în cazul general al unui câmp neliniar, neslab încă nu este suficient de clară. Într-adevăr, până acum, cuantele de câmp (fotoni, gravitoni etc.) apar întotdeauna într-o aproximare liniară, când o particulă era asociată cu fiecare undă elementară parțială. Astfel, aparent, în domeniul teoriei neliniare, înțelegerea obișnuită a particulelor își pierde într-o oarecare măsură sensul și ar trebui revizuită în consecință.

    Sokolov A. , Ivanenko D. Teoria câmpului cuantic. - M.: GITTL, 1952. - S. 656.
  11. ↑

    Ce ar trebui înțeles în general ca o particule în prezența unui vid fizic neinvariant (sau câmp extern)? Răspunsul final nu a fost încă dat.

    Ivanenko D. D. , Sardanishvili G. A. Gravity. — M.: LKI, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2  — S. 163.
  12. ↑ Pauli W. Teoria relativistică a particulelor elementare. - M.: IL, 1947. - S. 72
  13. ↑ Sokolov A. , Ivanenko D. Teoria câmpului cuantic. — M.: GITTL, 1952. — S. 662.
  14. ↑ Weinberg, 1975 , p. 312.
  15. ↑ Weinberg, 2001 , p. 337.
  16. ↑ S. Weinberg Feynman rules for any spin, Am arhivat 22 aprilie 2019 la Wayback Machine , Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman rules for any spin Arhivat la 22 aprilie 2019 la Wayback Machine , II, Massless particules, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Photons and gravitons in S. -teoria matricei: derivarea conservării sarcinii și egalitatea masei gravitaționale și inerțiale Arhivat 9 decembrie 2019 la Wayback Machine , Ib, 135, B1049-1056 (1964) S. Weinberg Fotoni și gravitoni în teoria perturbațiilor: derivarea lui Maxwell și a lui Einstein ecuații, arhivat la 24 martie 2020 la Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965 )
  17. ↑ Akhiezer A.I. , Berestetsky V.B. Electrodinamică cuantică. - M .: Nauka, 1969. - S. 174.
  18. ↑ DeWitt B. Teoria cuantică a gravitației I // Physical Review 160, 1113-1148 (1967).
    DeWitt B. Teoria cuantică a gravitației II: the manifestly covariant theory // Physical Review 162, 1195-1239 (1967).
    DeWitt B. Teoria cuantică a gravitației III: aplicarea teoriei covariante // Physical Review 162, 1239-1256 (1967).
    Prezentare sistematică: Devitt B. S. Teoria dinamică a grupurilor și câmpurilor: Per. din engleza. / Ed. G. A. Vilkovysky. - M .: Știință. Ch. ed. Fiz.-Matematică. aprins. - 1987. - 288 p.
    reeditare reeditare: Cherepovets: Mercury-PRESS, 2000. ISBN 5-11-480064-7 .
  19. ↑ O. O. Feigin Centenar of OTO Arhiva copie din 4 mai 2017 la Wayback Machine // Chemistry and Life . - 2015. - Nr. 10 - Elements.ru
  20. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. „Modificarea gravitației la distanțe mari și un graviton masiv” Copie de arhivă din 14 aprilie 2015 la Wayback Machine , UFN , 178, p. 813, (2008)
  21. ↑ Zel'dovich Ya . _ - M .: Nauka, 1967. - S. 497-500.
  22. ↑ Feynman, 2000 , p. 276.
  23. ↑ Feynman, 2000 , p. 278.
  24. ↑ Yu. S. Vladimirov Anihilarea unei perechi electron-pozitron în doi gravitoni // JETP . - 1963. - Volumul 16, Numărul. 1. - C. 65 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Copie de arhivă din 7 aprilie 2022 la Wayback Machine
  25. ↑ NA Voronov Gravitational Compton effect and photoproduction of gravitons by electrons // JETP . - 1973. - Volumul 37, Numărul. 6. - P. 953 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  26. ↑ I. Yu. Kobzarev, PI Peshkov Emisia gravitonilor în ciocniri de hadroni de înaltă energie // JETP . - 1975. - Volumul 40, Numărul. 2. - P. 213 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  27. ↑ Lev Okun Concepte de bază și legile fizicii și proprietățile particulelor elementare ale materiei Copie de arhivă din 4 mai 2017 la Wayback Machine // Raport la Prezidiul Academiei Ruse de Științe pe 27 octombrie 2009 - Elements.ru
  28. ↑ Burundukov A. S. Interacțiunea gravitonilor de înaltă energie cu fermionii. - Vladivostok, 1993. - ISBN 5744205080 .
  29. ↑ Enciclopedia fizică  : [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Enciclopedia Sovietică , 1988. - T. 1: Aharonov - Efectul Bohm - Rânduri lungi. — 707 p. — 100.000 de exemplare.
  30. ↑ Alexey Levin Graviton caliber gun Copie de arhivă din 11 iunie 2017 la Wayback Machine // Popular Mechanics . - 2014. - Nr. 5 - Elements.ru
  31. ↑ Igor Ivanov. Undele gravitaționale sunt deschise! . Elements of Big Science (11 februarie 2016). Data accesului: 14 februarie 2016. Arhivat din original pe 14 februarie 2016.
  32. ↑ Abbott B. P. (Ligo Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) și colab. Observarea undelor gravitaționale dintr-o fuziune binară a găurii negre  (engleză)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Vol. 116 , nr. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 .
  33. ↑ Fizicienii au prins unde gravitaționale (link inaccesibil) . Data accesului: 23 februarie 2016. Arhivat din original pe 4 martie 2016. 
  34. ↑ Serghei Popov: „De ce avem nevoie de astronomie” (curs 14 februarie 2016) . Preluat la 23 februarie 2016. Arhivat din original la 19 aprilie 2019.
  35. ↑ Oamenii de știință au înregistrat undele gravitaționale prezise de copia de arhivă Einstein din 15 februarie 2016 la Wayback Machine // meduza.io
  36. ↑ Brian Stableford . Gravitație // Science Fact și Science Fiction: O Enciclopedie. - Routledge, 2006. - S. 220-222. — 730 p. — ISBN 9780415974608 .
  37. ↑ Evgheni Kharitonov. Griada - Alexander Kolpakov - Recenzie de carte . recensent.ru. Data accesului: 3 martie 2016. Arhivat din original pe 5 martie 2016.
  38. ↑ Okuda, 1999 , Graviton, p. 177.
  39. ↑ Krauss, 2007 , Cap. 4. Datele termină jocul, p. 72.
  40. ↑ După Pământ  - articol din The Encyclopedia of Science Fiction
  41. ↑ Evgheni Kharitonov . Graviton . Laboratorul Fanteziei . Preluat la 5 aprilie 2016. Arhivat din original la 24 februarie 2022.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Particule ipotetice în fizică

particule fundamentale
Superparteneri
Gagino
Sfermions
Alte
Alte

Particule compozite
hadroni exotici
Alte