Graviton

Graviton  ( G )
Forbindelse	Elementær partikel
En familie	boson
Gruppe	Måler boson
Deltager i interaktioner	Tyngdekraften [1]
Antipartikel	Sig selv ( G ), ifølge andre kilder - antigraviton (med spin 1) [2]
Status	Hypotetisk
Vægt	0 (teori), < 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 [3] (eksperimentel øvre grænse)
Livstid	> år [4]
forfaldskanaler	stabil
Teoretisk begrundet	1930'erne [5] tilskrives ofte værket fra 1934 af D. I. Blokhintsev og F. M. Galperin [6]
kvantetal
Elektrisk ladning	0
baryon nummer	0
Lepton nummer	0
Spin	2g _
Paritet	+1
Charge paritet	+1

Graviton  - en hypotetisk masseløs elementarpartikel  - en bærer af tyngdekraftens vekselvirkning og et kvantum af et tyngdefelt uden elektriske og andre ladninger (den har dog energi og deltager derfor i tyngdekraftens vekselvirkning). Skal have spin 2 og to mulige polariseringsretninger . Bevæger sig formentlig altid med lysets hastighed .

Udtrykket "graviton" blev foreslået i 1930'erne , ofte tilskrevet arbejdet i 1934 af D. I. Blokhintsev og F. M. Galperin [7] [8] .

Hypotesen om eksistensen af ​​gravitoner dukkede op som en konsekvens af princippet om bølge-partikel dualitet til at beskrive gravitationsfeltet og kvantefeltteoriens succes (især standardmodellen ) med at modellere adfærden af ​​andre fundamentale interaktioner ved hjælp af lignende partikler: fotoner i den elektromagnetiske interaktion , gluoner i den stærke interaktion , W ± og Z bosoner i den svage interaktion . Efter denne analogi kan nogle elementarpartikler også være ansvarlige for gravitationsinteraktionen [9] .

Det er også muligt, at gravitoner er kvasipartikler , praktiske til at beskrive svage gravitationsfelter på længde- og tidsskalaer, der er meget større end Planck-længden og Planck-tiden , men uegnede til at beskrive stærke felter og processer med karakteristiske skalaer tæt på Plancks. [10] [11]

I forskellige teorier

Det antagede gravitonspin er det samme af den grund, at en plan gravitationsbølge har en kvadrupol karakter, der passerer ind i sig selv, når den drejes 180° rundt om en akse parallelt med udbredelsesretningen. Det følger også af antallet af uafhængige komponenter i gravitationsfeltets bølgefunktioner, som er gravitationspotentialer. Af de ti komponenter i gravitationspotentialetensoren, på grund af nul- sporet og fire yderligere gauge-betingelser (svarende til Lorentz-måleren i elektrodynamik) , forbliver uafhængige komponenter. På grund af formlen , [12] der relaterer værdien af ​​spin med antallet af komponenter i feltets bølgefunktioner , får vi værdien af ​​gravitonens spin [13] .

Fra kvantefeltteoriens synspunkt er princippet om ækvivalens af tyngdekraften og inertikræfterne en konsekvens af kravet om Lorentz-invarians for gravitoner (masseløse partikler med spin ), eftersom kravet om Lorentz-invarians fører til gauge-invariansen af teorien, og princippet om generel kovarians , som er en generalisering af princippet om måleinvarians, er et matematisk udtryk for ækvivalensprincippet [14] [15] [16] .

Forsøg på at udvide standardmodellen med gravitoner står over for alvorlige teoretiske vanskeligheder i området med høje energier (lig med eller større end Planck-energien ) på grund af divergenserne i kvanteeffekter (gravitationen renormaliseres ikke ). Et andet problem er, at i den matematiske beskrivelse af felter, der beskriver elementarpartikler med heltalsspin, kan en positivt defineret energitæthed kun indføres for partikler med spin og , og gravitonen har et spin [17] .

At løse disse spørgsmål har været motivet bag konstruktionen af ​​adskillige foreslåede teorier om kvantetyngdekraft (et forsøg er især strengteori ). På trods af fraværet på nuværende tidspunkt af en fuldgyldig teori om kvantetyngdekraft, er det muligt at kvantificere svage forstyrrelser af et givet gravitationsfelt i første orden ifølge perturbationsteorien. Inden for rammerne af en sådan lineariseret teori er den elementære excitation gravitonen [18] .

I teorierne om supergravitation introduceres også gravitinoen (spin- 3 / 2 ) - gravitonens superpartner .

I strengteori er gravitoner, ligesom andre partikler, tilstande af strenge, ikke punktpartikler, i hvilket tilfælde uendeligheder ikke vises. Samtidig kan disse excitationer ved lave energier betragtes som punktpartikler. Det vil sige, at gravitonen, ligesom andre elementarpartikler, er en tilnærmelse til virkeligheden, der kan bruges i lavenergiområdet.

Ifølge teorien om løkkekvantetyngdekraften er gravitoner forskydningskvanter af rum-tid [19] .

Gravitoner er også almindeligt introduceret i kvanteversioner af alternative teorier om tyngdekraft . I nogle af dem har gravitonen masse [20] .

Det antages, at energitætheden af ​​reliktgravitoner, dannet i de første sekunder efter Big Bang , i øjeblikket er cirka energitætheden af ​​reliktfotoner. [21]

Analogt med kvanteelektrodynamik, sandsynligheden for gravitonemission under henfald [22] , spredning af elementarpartikler [23] , udslettelse af elektron-positron-par [24] med Compton-effekten [25] og i kollisioner af højenergi. hadroner [26] beregnes .

Skiftet af Merkurs perihelium , set fra begrebet graviton, forklares af bidraget til gravitationsinteraktionen mellem Merkur og Solen af ​​processer beskrevet i Feynman - diagrammets sprog ved hjælp af diagrammer med interaktionen af ​​virtuelle gravitationer med hinanden [27]

Antigravitonen har spin 1 [2] .

Eksperimentelle og observationsstudier

På grund af den ekstreme svaghed ved gravitationsinteraktioner er eksperimentel bekræftelse af eksistensen af ​​en graviton (det vil sige påvisningen af ​​individuelle frit udbredende gravitoner) ifølge teorier, der forudsiger eksistensen af ​​gravitoner ( strengteori , kvantiseret lineariseret generel relativitetsteori osv.) i øjeblikket ikke muligt, da dannelsen af ​​virkelige gravitoner kun vil blive mærkbar ved interaktionsenergier i massecentersystemet af kolliderende partikler af størrelsesordenen Planck-energien [28] [29] [9] .

Ikke desto mindre, hvis teorierne om ni-dimensionelt rum med skjulte dimensioner viser sig at være korrekte, så forventes det, at gravitoner kan detekteres af den energi, de bærer væk efter at være blevet dannet i processerne med elementarpartikelkollisioner ved energier på 100 TeV [ 30] .

Den 11. februar 2016 annoncerede LIGO- og VIRGO- samarbejdet den første direkte observation af gravitationsbølger [31] . Ifølge denne registrering af gravitationsbølger viste deres spredning sig at være kompatibel med den masseløse graviton (den øvre grænse for gravitonmassen m g blev estimeret til 1,2 × 10 −22 eV/ c 2 , Compton-bølgelængden af ​​gravitonen λ g = h/cm g er ikke mindre end 10 13 km ) [32] [33] [34] , og gravitationsbølgernes hastighed er lig med lysets hastighed inden for målenøjagtigheden [35] .

Der er også et mere stringent, men mere modelafhængigt estimat af den øvre grænse for gravitonmassen m g < 2 × 10 −62 g (eller 1,1 × 10 −29 eV/ s 2 ) [3] . Det følger af den observerede udstrækning af tyngdefelterne for galaktiske hobe i rummet og er baseret på det faktum, at ved tilstedeværelse af masse i feltbærerbosonen falder interaktionspotentialet med afstand, der ikke er i henhold til loven r −1 (som i tilfældet med masseløse felter), men meget hurtigere, proportionalt med r −1 exp(− rm g c/h ) ( Yukawa potential ).

Observationer af GW170817 gav et estimat af den nedre grænse for gravitonens levetid - 4,5 × 10 8 år . [fire]

Graviton i populærkulturen

Emnet tyngdekraftskontrol bliver ofte brugt som en fantastisk antagelse i science fiction (især som en teknologi, der gør rumrejser tilgængelig ), nogle gange nævnes også gravitoner [36] . I rumoperaen " Griada " af A. Kolpakov , skrevet i begyndelsen af ​​1960'erne, er Urania rumskibet således udstyret med en gravitonmotor [37]

I kult -science fiction-tv-serien Star Trek er rumskibe udstyret med graviton-baserede teknologier [38] , såsom kunstig tyngdekraft, navigationsdeflektor, lav-niveau kraftfelter osv. Samtidig, som Lawrence Krauss bemærkede , da han beskrev teknologier såsom " emission af kohærente gravitoner", som bruges til krumning af rummet, bruger forfatterne i det mindste terminologi, der er tilstrækkelig set fra moderne fysiks synspunkt [39] .

Som et element i følget findes gravitoner også i andre science fiction-værker, for eksempel i filmen " After Earth ", under flyvningen til Jorden opstår der en vibration af gravitoner i rumskibets krop, som forårsager en udvidelse af masserne , og tiltrækker til gengæld en asteroidestrøm [40] .

Navnet " Graviton " var den vigtigste professionelle pris i Bulgarien inden for fantastisk litteratur og kunst, uddelt fra 1991 til 2005 [41] .

Se også

• Gravitationsbølger
• kvantetyngdekraften
• Gravitino
• Gravitonas  er en svensk popgruppe.

Kilder

1. ↑ Den fantastiske verden inde i atomkernen Spørgsmål efter foredraget . Hentet 28. oktober 2014. Arkiveret fra originalen 15. juli 2015. (ubestemt)
2. ↑ 1 2 Mostepanenko V. , Ph.D. Casimir-effekten // Videnskab og liv. - 1989. - Nr. 12. - S. 144-145.
3. ↑ 1 2 Goldhaber AS, Nieto MM Gravitonmasse // 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 Grænser for antallet af rumtidsdimensioner fra GW170817 Arkiveret 3. november 2019 på Wayback Machine
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. Neutrinohypotesen og loven om energibevarelse  (neopr.)  // Under marxismens banner . - 1934. - T. 6 . - S. 147-157 . (Russisk)  
7. ↑ Blokhintsev D.I., Galperin F.M. Neutrino-hypotese og loven om bevarelse af energi. Under marxismens banner, 6 (1934) 147-157.
8. ↑ Gorelik G. E. Matvey Bronstein og kvantetyngdekraften. Til 70-året for det uløste problem  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Russian Academy of Sciences , 2005. - T. 175 , no. 10 . - S. 1093-1108 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200510h.1093 . (Russisk)
9. ↑ 1 2 PostNauka 5. juni 2015 Sergey Binnikov Hvad er en graviton? Arkiveret 22. september 2018 på Wayback Machine
10. ↑

    Spørgsmålet om at sammenligne korpuskler i det generelle tilfælde af et ikke-lineært, ikke-svagt felt er stadig ikke klart nok. Indtil nu opstår feltkvanter (fotoner, gravitoner osv.) faktisk i en lineær tilnærmelse, når en partikel var forbundet med hver partiel elementær bølge. Således, inden for ikke-lineær teori, mister den sædvanlige forståelse af partikler til en vis grad sin mening og bør revideres i overensstemmelse hermed.

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

    Hvad skal generelt forstås som en partikel i nærvær af et ikke-invariant fysisk vakuum (eller eksternt felt)? Det endelige svar er endnu ikke givet.

    Ivanenko D. D. , Sardanishvili G. A. Gravity. — M.: LKI, 2012. — ISBN 978-5-382-01360-2  — S. 163.
12. ↑ Pauli W. Relativistisk teori om elementarpartikler. - M.: IL, 1947. - S. 72
13. ↑ Sokolov A. , Ivanenko D. Kvantefeltteori. — M.: GITTL, 1952. — S. 662.
14. ↑ Weinberg, 1975 , s. 312.
15. ↑ Weinberg, 2001 , s. 337.
16. ↑ S. Weinberg Feynman regler for ethvert spin, jeg arkiverede 22. april 2019 på Wayback Machine , Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
    S. Weinberg Feynman regler for ethvert spin Arkiveret 22. april 2019 på Wayback Machine , II, Masseløse partikler, Ib, 134, B882-896 (1964)
    S. Weinberg Fotoner og gravitoner i S -matrix teori: afledning af ladningsbevarelse og lighed af gravitations- og inertimasse Arkiveret 9. december 2019 på Wayback Machine , Ib, 135, B1049-1056 (1964) S. Weinberg Fotoner og gravitoner i perturbationsteori: afledning af Maxwells og Einstein's og Einstein's ligninger, arkiveret 24. marts 2020 på Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965 )
    
17. ↑ Akhiezer A.I. , Berestetsky V.B. Quantum electrodynamics. - M .: Nauka, 1969. - S. 174.
18. ↑ DeWitt B. Kvanteteori om tyngdekraft I // Physical Review 160, 1113-1148 (1967).
    DeWitt B. Kvanteteori om tyngdekraft II: den åbenlyst kovariante teori // Physical Review 162, 1195-1239 (1967).
    DeWitt B. Kvanteteori om tyngdekraft III: anvendelse af den kovariante teori // Physical Review 162, 1239-1256 (1967).
    Systematisk præsentation: Devitt B. S. Dynamisk teori om grupper og felter: Pr. fra engelsk. / Ed. G. A. Vilkovysky. - M . : Videnskab. Ch. udg. Fysisk.-Matematik. tændt. - 1987. - 288 s.
    genoptryk genudgivelse: Cherepovets: Mercury-PRESS, 2000. ISBN 5-11-480064-7 .
19. ↑ O. O. Feigin Centenary of OTO Arkivkopi dateret 4. maj 2017 på Wayback Machine // Chemistry and Life . - 2015. - Nr. 10 - Elements.ru
20. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. "Modification of gravity at large distances and a massive graviton" Arkivkopi dateret 14. april 2015 på 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 Udslettelse af et elektron-positron-par i to gravitoner // JETP . - 1963. - Bind 16, hæfte. 1. - C. 65 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_016_01_0065.pdf Arkivkopi dateret 7. april 2022 på Wayback Machine
25. ↑ NA Voronov Gravitational Compton-effekt og fotoproduktion af gravitoner ved hjælp af elektroner // JETP . - 1973. - Bind 37, hæfte. 6. - S. 953 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_037_06_0953.pdf
26. ↑ I. Yu. Kobzarev, PI Peshkov Graviton-emission ved kollisioner af højenergi-hadroner // JETP . - 1975. - Bind 40, hæfte. 2. - S. 213 - URL: http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_040_02_0213.pdf
27. ↑ Lev Okun Grundlæggende begreber og fysiklove og egenskaber ved elementarpartikler af stof Arkivkopi dateret 4. maj 2017 på Wayback Machine // Rapport ved Præsidiet for Det Russiske Videnskabsakademi den 27. oktober 2009 - Elements.ru
28. ↑ Burundukov A. S. Interaktion mellem højenergigravitoner og fermioner. - Vladivostok, 1993. - ISBN 5744205080 .
29. ↑ Physical Encyclopedia  : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effekt - Lange linjer. — 707 s. — 100.000 eksemplarer.
30. ↑ Alexey Levin Graviton kaliber pistol Arkivkopi dateret 11. juni 2017 på Wayback Machine // Popular Mechanics . - 2014. - Nr. 5 - Elements.ru
31. ↑ Igor Ivanov. Gravitationsbølger er åbne! . Elements of Big Science (11. februar 2016). Dato for adgang: 14. februar 2016. Arkiveret fra originalen 14. februar 2016. (Russisk)
32. ↑ Abbott B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  (engelsk)  // Physical Review Letters  : journal. - 2016. - Bd. 116 , nr. 6 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 .
33. ↑ Fysikere fangede gravitationsbølger (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 23. februar 2016. Arkiveret fra originalen 4. marts 2016. (ubestemt) 
34. ↑ Sergey Popov: "Hvorfor har vi brug for astronomi" (foredrag 14. februar 2016) . Hentet 23. februar 2016. Arkiveret fra originalen 19. april 2019. (ubestemt)
35. ↑ Forskere har registreret gravitationsbølger forudsagt af Einstein Arkivkopi af 15. februar 2016 på Wayback Machine // meduza.io
36. ↑ Brian Stableford . Gravity // Science Fact and Science Fiction: An Encyclopedia. - Routledge, 2006. - S. 220-222. — 730 s. — ISBN 9780415974608 .
37. ↑ Evgeny Kharitonov. Griada - Alexander Kolpakov - Boganmeldelse . recensent.ru. Dato for adgang: 3. marts 2016. Arkiveret fra originalen 5. marts 2016. (ubestemt)
38. ↑ Okuda, 1999 , Graviton, s. 177.
39. ↑ Krauss, 2007 , Ch. 4. Data afslutter spillet, s. 72.
40. ↑ After Earth  - artikel fra The Encyclopedia of Science Fiction
41. ↑ Evgeny Kharitonov . Graviton . Fantasy Lab . Hentet 5. april 2016. Arkiveret fra originalen 24. februar 2022. (ubestemt)

Litteratur

• Fysisk encyklopædi  : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effekt - Lange linjer. — 707 s. — 100.000 eksemplarer.
• Barvinsky A O "Kosmologiske braner og makroskopiske ekstra dimensioner" , UFN , 175, s. 569-601, (2005)
• Rubakov V. A., Tinyakov P. G. "Gravitationsmodifikation ved store afstande og massiv graviton" , UFN , 178, s. 813, (2008)
• Weinberg, S. Kvantefeltteori, bind 1. - M. : Mir, 2001. - 800 s.
• Weinberg, C. Tyngdekraft og kosmologi. - M . : Mir, 1975. - 696 s.
• Michael Okuda, Denise Okuda, Doug Drexler. The Star Trek Encyclopedia: A Reference Guide to the Future. - Pocket Books, 1999. - 752 s. — ISBN 978-0671536091 .
• Lawrence M. Krauss . Fysikken i Star Trek . - Grundbøger, 2007. - S. 72. - 282 s. - ISBN 0-465-00863-1 .
• Feynman, R. F. , Morinigo F. B., Wagner W. G. Feynman-forelæsningerne om tyngdekraften. - M. : Janus-K, 2000. - 296 s. — ISBN 5-8037-0049-5 .
• Gravitonmassegrænser

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk norsk Stor russer Britannica (online) Treccani Universalis
I bibliografiske kataloger	GND : 4450121-3