Gravitoni

Graviton  ( G )
Yhdiste Alkuainehiukkanen
Perhe bosoni
Ryhmä Mittari bosoni
Osallistuu vuorovaikutukseen Painovoima [1]
Antihiukkanen Itse ( G ), muiden lähteiden mukaan - antigraviton (spin 1:llä) [2]
Tila Hypoteettinen
Paino 0 (teoria), < 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 [3] (kokeellinen yläraja)
Elinikä > vuotta [4]
hajoamisen kanavia vakaa
Teoreettisesti perusteltu 1930-luku [5]
luetaan usein D. I. Blokhintsevin ja F. M. Galperinin vuoden 1934 teosten [6] ansioksi.
kvanttiluvut
Sähkövaraus 0
baryonin numero 0
Leptonin numero 0
Pyöritä 2g_ _
Pariteetti +1
Maksupariteetti +1

Graviton  - hypoteettinen massaton alkuainehiukkanen - gravitaatiovuorovaikutuksen  kantaja ja gravitaatiokentän kvantti ilman sähkö- ja muita varauksia (sillä on kuitenkin energiaa ja siksi se osallistuu gravitaatiovuorovaikutukseen). Täytyy olla spin 2 ja kaksi mahdollista polarisaatiosuuntaa . Oletettavasti liikkuu aina valonnopeudella .

Termi "gravitoni" ehdotettiin 1930-luvulla , ja sen katsottiin usein johtuvan D. I. Blokhintsevin ja F. M. Galperinin vuoden 1934 teoksista [7] [8] .

Hypoteesi gravitonien olemassaolosta ilmestyi seurauksena aalto-hiukkasten kaksinaisuuden periaatteesta gravitaatiokentän kuvaamisessa ja kvanttikenttäteorian (erityisesti standardimallin ) menestyksestä mallintaa muiden perusvuorovaikutusten käyttäytymistä käyttämällä samanlaisia ​​hiukkasia: fotoneja . sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa gluonit voimakkaassa vuorovaikutuksessa , W ± ja Z bosonit heikossa vuorovaikutuksessa . Tämän analogian mukaan jokin alkuainehiukkanen voi myös olla vastuussa gravitaatiovuorovaikutuksesta [9] .

On myös mahdollista, että gravitonit ovat kvasihiukkasia , jotka sopivat kuvaamaan heikkoja gravitaatiokenttiä pituus- ja aika-asteikoissa, jotka ovat paljon suurempia kuin Planckin pituus ja Planckin aika , mutta eivät sovellu kuvaamaan vahvoja kenttiä ja prosesseja, joiden ominaismittakaava on lähellä Planckin mittakaavaa. [10] [11]

Eri teorioissa

Oletettu gravitonispin on yhtä suuri siitä syystä, että tasogravitaatioaalto on luonteeltaan kvadrupoli , joka siirtyy itseensä, kun sitä kierretään 180° etenemissuunnan suuntaisen akselin ympäri. Se seuraa myös gravitaatiokentän aaltofunktioiden riippumattomien komponenttien lukumäärästä, jotka ovat gravitaatiopotentiaalia. Gravitaatiopotentiaalitensorin kymmenestä komponentista, nollajäljen ja neljän ylimääräisen mittarin ehdon vuoksi (samanlainen kuin Lorentzin mittari sähködynamiikassa) , itsenäiset komponentit jäävät jäljelle. Kaavasta [12] , joka yhdistää spinin arvon kentän aaltofunktioiden komponenttien määrään , saadaan gravitonin spinin arvo [13] .

Kvanttikenttäteorian näkökulmasta painovoima- ja inertiavoimien ekvivalenssiperiaate on seurausta Lorentzin invarianssin vaatimuksesta gravitoneille (massattomille hiukkasille, joilla on spin ), koska Lorentzin invarianssin vaatimus johtaa mittainvarianssiin. teorian yleisen kovarianssin periaate , joka on yleistys mittarin invarianssin periaatteesta, on ekvivalenssiperiaatteen matemaattinen ilmaus [14] [15] [16] .

Yritykset laajentaa standardimallia gravitoneilla kohtaavat vakavia teoreettisia vaikeuksia suurten energioiden alueella (samansuuruinen tai suurempi kuin Planckin energia ) kvanttivaikutusten erojen vuoksi (gravitaatio ei normalisoi uudelleen ). Toinen ongelma on, että kokonaislukuspin omaavia alkeishiukkasia kuvaavien kenttien matemaattisessa kuvauksessa positiivisesti määritelty energiatiheys voidaan ottaa käyttöön vain hiukkasille, joilla on spin ja , ja gravitonilla on spin [17] .

Näiden kysymysten ratkaiseminen on ollut motiivina useiden ehdotettujen kvanttigravitaatioteorioiden rakentamiselle (erityisesti yksi yritys on merkkijonoteoria ). Huolimatta siitä, että tällä hetkellä ei ole olemassa täysimittaista kvanttipainovoimateoriaa, on mahdollista kvantisoida tietyn gravitaatiokentän heikot häiriöt ensimmäisessä järjestyksessä häiriöteorian mukaan. Tällaisen linearisoidun teorian puitteissa alkeisheräte on gravitoni [18] .

Supergravitaatioteorioissa esitellään myös gravitino ( spin - 3 / 2 ) - gravitonin superkumppani .

Kieliteoriassa gravitonit, kuten muutkin hiukkaset, ovat merkkijonojen tiloja, eivät pistehiukkasia, jolloin äärettömiä ei esiinny. Samaan aikaan alhaisilla energioilla näitä viritteitä voidaan pitää pistehiukkasina. Toisin sanoen gravitoni, kuten muutkin alkuainehiukkaset, on jokin likimääräinen todellisuus, jota voidaan käyttää matalan energian alueella.

Silmukan kvanttigravitaation teorian mukaan gravitonit ovat aika-avaruuden siirtymäkvantteja [19] .

Gravitonit on myös yleisesti otettu käyttöön vaihtoehtoisten painovoimateorioiden kvanttiversioissa . Joissakin niistä gravitonilla on massa [20] .

Alkuräjähdyksen jälkeisten ensimmäisten sekuntien aikana muodostuneiden gravitonien energiatiheyden uskotaan olevan tällä hetkellä suunnilleen jäännösfotonien energiatiheys. [21]

Analogisesti kvanttielektrodynamiikan kanssa gravitoniemission todennäköisyydet hajoamisen aikana [22] , alkuainehiukkasten sironta [23] , elektroni-positroniparien tuhoutuminen [24] , Compton-ilmiö [25] ja suurienergisten törmäysten yhteydessä hadronit [26] lasketaan .

Merkuriuksen perihelionin siirtyminen gravitonin käsitteen näkökulmasta selittyy niiden prosessien panoksella Merkuriuksen ja Auringon gravitaatiovuorovaikutukseen, jotka kuvataan Feynman -kaavioiden kielellä diagrammeilla virtuaalisen vuorovaikutuksen kanssa. gravitonit keskenään [27]

Antigravitonilla on spin 1 [2] .

Kokeelliset ja havainnolliset tutkimukset

Gravitaatiovuorovaikutusten äärimmäisen heikkouden vuoksi gravitonin olemassaolon kokeellinen vahvistus (eli yksittäisten vapaasti etenevien gravitonien havaitseminen) gravitonien olemassaoloa ennustavien teorioiden mukaan (jonoteoria , kvantisoitu linearisoitu yleinen suhteellisuusteoria jne.) on ei tällä hetkellä mahdollista, koska todellisten gravitonien muodostuminen tulee havaittavaksi vain vuorovaikutusenergioissa Planck-energian luokkaa olevien törmäyshiukkasten massakeskusjärjestelmässä [28] [29] [9] .

Kuitenkin, jos teoriat yhdeksänulotteisesta avaruudesta piilomitoilla osoittautuvat oikeiksi, niin on odotettavissa, että gravitonit voidaan havaita energialla, jonka ne kuljettavat pois muodostuessaan alkuainehiukkasten törmäysprosesseissa 100 TeV:n energioilla [ 30] .

11. helmikuuta 2016 LIGO- ja VIRGO - yhteistyöt julkistivat ensimmäisen suoran gravitaatioaaltojen havainnon [31] . Tämän gravitaatioaaltojen rekisteröinnin mukaan niiden dispersio osoittautui yhteensopivaksi massattoman gravitonin kanssa (gravitonin massan m g ylärajaksi arvioitiin 1,2 × 10 −22 eV/ c 2 , gravitonin Comptonin aallonpituudeksi λ g = h/cm g on vähintään 10 13 km ) [32] [33] [34] , ja gravitaatioaaltojen nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus mittaustarkkuuden sisällä [35] .

On olemassa myös tiukempi, mutta malliriippuvainen arvio gravitonimassan ylärajasta m g < 2 × 10 −62 g (tai 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 ) [3] . Se seuraa galaktisten klustereiden gravitaatiokenttien havaitusta laajuudesta avaruudessa ja perustuu siihen, että massan läsnä ollessa kentän kantajabosonissa vuorovaikutuspotentiaali pienenee etäisyyden myötä ei lain r −1 mukaan (kuten massattomien kenttien tapauksessa), mutta paljon nopeammin, suhteessa r −1 exp(− rm g c/h ) ( Yukawa-potentiaali ).

GW170817: n havainnot tuottivat arvion gravitonin eliniän alarajasta - 4,5 × 108 vuotta . [neljä]

Graviton populaarikulttuurissa

Painovoiman hallinnan aihetta käytetään usein fantastisena oletuksena tieteiskirjallisuudessa ( erityisesti teknologiana, joka tekee avaruusmatkailun saavutettavaksi ), joskus mainitaan myös gravitonit [36] . Siten A. Kolpakovin 1960-luvun alussa kirjoittamassa avaruusoopperassa " Griada " Urania- tähtialus on varustettu gravitonmoottorilla [37]

Kulttiscifi - televisiosarjassa Star Trek tähtialukset on varustettu gravitoniin perustuvilla teknologioilla [38] , kuten keinotekoisella painovoimalla, navigointiohjaimella, matalan tason voimakentillä jne. Samaan aikaan, kuten Lawrence Krauss totesi kuvaillessaan tekniikat, kuten " koherenttien gravitonien emission ", jota käytetään avaruuden kaareutumiseen, kirjoittajat käyttävät ainakin modernin fysiikan kannalta riittävää terminologiaa [39] .

Seurueen elementtinä gravitonit löytyvät myös muista tieteiskirjallisista teoksista, esimerkiksi elokuvassa " After Earth ", lennon aikana Maahan avaruusaluksen rungossa tapahtuu gravitonien värähtely, joka aiheuttaa massojen laajenemisen. , ja vuorostaan ​​vetää puoleensa asteroidivirtaa [40] .

Nimi " Graviton " oli Bulgarian pääpalkinto fantastisen kirjallisuuden ja taiteen alalla, ja se myönnettiin vuosina 1991–2005 [41] .

Katso myös

Lähteet

  1. ↑ Ihmeellinen maailma atomiytimen sisällä Kysymyksiä luennon jälkeen . Haettu 28. lokakuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 15. heinäkuuta 2015.
  2. ↑ 1 2 Mostepanenko V. , Ph.D. Casimir-ilmiö // Tiede ja elämä. - 1989. - nro 12. - S. 144-145.
  3. ↑ 1 2 Goldhaber AS, Nieto MM Gravitonin massa // Physical Review D. - 1974. - Voi. 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 GW170817 :n aika-avaruusulottuvuuksien lukumäärän rajoitukset Arkistoitu 3. marraskuuta 2019 Wayback Machinessa
  5. ↑ Rovelli, C. (2001), Notes for a short history of quantum gravity, arΧiv : gr-qc/0006061 [gr-qc].  
  6. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Neutriinohypoteesi ja energian säilymisen laki  (neopr.)  // Marxilaisuuden lipun alla . - 1934. - T. 6 . - S. 147-157 . (Venäjän kieli)  
  7. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Neutriinohypoteesi ja energian säilymisen laki. Marxilaisuuden lipun alla, 6 (1934) 147-157.
  8. ↑ Gorelik G. E. Matvey Bronstein ja kvanttigravitaatio. Ratkaisemattoman ongelman 70-vuotisjuhlaan  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Venäjän tiedeakatemia , 2005. - T. 175 , no. 10 . - S. 1093-1108 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200510h.1093 .
  9. ↑ 1 2 PostNauka 5. kesäkuuta 2015 Sergey Blinnikov Mikä on graviton? Arkistoitu 22. syyskuuta 2018 Wayback Machineen
  10. ↑

    Kysymys verisolujen vertailusta epälineaarisen, ei-heikon kentän yleisessä tapauksessa ei ole vieläkään tarpeeksi selvä. Todellakin, tähän asti kenttäkvantit (fotonit, gravitonit jne.) syntyvät aina lineaarisessa approksimaatiossa, kun hiukkanen liitettiin jokaiseen osittaiseen alkeisaaltoon. Siten ilmeisesti epälineaarisen teorian alalla tavallinen hiukkasten ymmärrys menettää jossain määrin merkityksensä ja sitä tulisi tarkistaa vastaavasti.

    Sokolov A. , Ivanenko D. Kvanttikenttäteoria. - M.: GITTL, 1952. - S. 656.
  11. ↑

    Mitä yleensä pitäisi ymmärtää hiukkasena ei-invariantin fyysisen tyhjiön (tai ulkoisen kentän) läsnä ollessa? Lopullista vastausta ei ole vielä annettu.

    Ivanenko D.D. , Sardanishvili G.A. Gravity. — M.: LKI, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2  — S. 163.
  12. ↑ Pauli W. Alkuainehiukkasten relativistinen teoria. - M.: IL, 1947. - S. 72
  13. ↑ Sokolov A. , Ivanenko D. Kvanttikenttäteoria. — M.: GITTL, 1952. — S. 662.
  14. ↑ Weinberg, 1975 , s. 312.
  15. ↑ Weinberg, 2001 , s. 337.
  16. ↑ S. Weinberg Feynmanin säännöt kaikille pyörityksille, I Arkistoitu 22. huhtikuuta 2019 Wayback Machinessa , Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynmanin säännöt mille tahansa spinille Arkistoitu 22. huhtikuuta 2019, the Wayback Machine , II, Massless particles, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Photons in S and graviton -matriisiteoria: varauksen säilymisen ja gravitaatio- ja inertiamassan tasa-arvon johtaminen Arkistoitu 9. joulukuuta 2019, the Wayback Machine , Ib, 135, B1049-1056 (1964) S. Weinberg Fotonit ja gravitonit häiriöteoriassa: johdannainen Ein Maxsteinista yhtälöt, arkistoitu 24. maaliskuuta 2020, Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965 )
  17. ↑ Akhiezer A.I. , Berestetsky V.B. Quantum electrodynamics. - M .: Nauka, 1969. - S. 174.
  18. ↑ DeWitt B. Painovoiman kvanttiteoria I // Physical Review 160, 1113-1148 (1967).
    DeWitt B. Painovoiman kvanttiteoria II: ilmeisen kovarianttiteoria // Physical Review 162, 1195-1239 (1967).
    DeWitt B. Painovoiman kvanttiteoria III: kovarianttiteorian soveltaminen // Physical Review 162, 1239-1256 (1967).
    Systemaattinen esitys: Devitt B. S. Dynaaminen ryhmien ja kenttien teoria: Per. englannista. /Toim. G. A. Vilkovysky. - M . : Tiede. Ch. toim. Fys.-Math. palaa. - 1987. - 288 s.
    uusintapainos uusintapainos: Cherepovets: Mercury-PRESS, 2000. ISBN 5-11-480064-7 .
  19. ↑ O. O. Feigin Centenary of OTO Arkistokopio 4. toukokuuta 2017 Wayback Machinessa // Chemistry and Life . - 2015. - Nro 10 - Elements.ru
  20. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. "Painovoiman muutos suurilla etäisyyksillä ja massiivinen gravitoni" Arkistokopio , päivätty 14. huhtikuuta 2015, Wayback Machine , UFN , 178, s. 813, (2008)
  21. ↑ Zel'dovich Ya . _ - M .: Nauka, 1967. - S. 497-500.
  22. ↑ Feynman, 2000 , s. 276.
  23. ↑ Feynman, 2000 , s. 278.
  24. ↑ Yu. S. Vladimirov Elektroni-positroniparin tuhoutuminen kahdeksi gravitoniksi // JETP . - 1963. - Osa 16, numero. 1. - C. 65 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Arkistokopio , päivätty 7. huhtikuuta 2022 Wayback Machinessa
  25. ↑ NA Voronov Gravitational Compton -ilmiö ja gravitonien valotuotanto elektronien avulla // JETP . - 1973. - Osa 37, numero. 6. - P. 953 - URL-osoite: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
  26. ↑ I. Yu. Kobzarev, PI Peshkov Gravitonipäästöt korkeaenergisten hadronien törmäyksissä // JETP . - 1975. - Osa 40, numero. 2. - S. 213 - URL-osoite: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
  27. ↑ Lev Okun Fysiikan peruskäsitteet ja lait sekä aineen alkuainehiukkasten ominaisuudet Arkistokopio 4. toukokuuta 2017 Wayback Machinessa // Raportti Venäjän tiedeakatemian puheenjohtajistossa 27. lokakuuta 2009 - Elements.ru
  28. ↑ Burundukov A. S. Korkeaenergisten gravitonien vuorovaikutus fermionien kanssa. - Vladivostok, 1993. - ISBN 5744205080 .
  29. ↑ Physical Encyclopedia  : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-ilmiö - Pitkät rivit. — 707 s. - 100 000 kappaletta.
  30. ↑ Alexey Levin Graviton kaliiperiase Arkistokopio päivätty 11. kesäkuuta 2017 Wayback Machinessa // Popular Mechanics . - 2014. - Nro 5 - Elements.ru
  31. ↑ Igor Ivanov. Gravitaatioaallot ovat auki! . Elements of Big Science (11. helmikuuta 2016). Käyttöpäivä: 14. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 14. helmikuuta 2016.
  32. ↑ Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et ai. Gravitaatioaaltojen havainnointi binaarisesta mustan aukon sulautumisesta  (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2016. - Vol. 116 , nro. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 .
  33. ↑ Fyysikot saivat kiinni gravitaatioaaltoja (pääsemätön linkki) . Käyttöpäivä: 23. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 4. maaliskuuta 2016. 
  34. ↑ Sergei Popov: "Miksi tarvitsemme tähtitiedettä" (luento 14. helmikuuta 2016) . Haettu 23. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 19. huhtikuuta 2019.
  35. ↑ Tutkijat ovat tallentaneet Einsteinin arkiston 15. helmikuuta 2016 ennustamia gravitaatioaaltoja Wayback Machinessa // meduza.io
  36. ↑ Brian Stableford . Painovoima // Tiedefakta ja tieteisfiktio: Encyclopedia. - Routledge, 2006. - S. 220-222. — 730 s. — ISBN 9780415974608 .
  37. ↑ Jevgeni Kharitonov. Griada - Alexander Kolpakov - Kirja-arvostelu . recencent.ru. Käyttöpäivä: 3. maaliskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 5. maaliskuuta 2016.
  38. ↑ Okuda, 1999 , Graviton, s. 177.
  39. ↑ Krauss, 2007 , Ch. 4. Data lopettaa pelin, s. 72.
  40. ↑ Maan jälkeen  - artikkeli The Encyclopedia of Science Fictionista
  41. ↑ Jevgeni Kharitonov . Graviton . Fantasia Lab . Haettu 5. huhtikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 24. helmikuuta 2022.

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 Hypoteettiset hiukkaset fysiikassa
perushiukkasia
_
Superkumppanit
Gagino
Sfermions
muu
muu
Komposiittihiukkaset
_
eksoottisia hadroneja
muu