Гравитон

Гравитон *(G)*
Гравитон (G)
Состав	Элементарная частица
Семья	Бозон
Группа	Калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях	Гравитационное
Античастица	Сам себе(G)
Статус	Гипотетическая
Масса	(< грамм.)
Каналы распада	Стабилен
Теоретически обоснована	1930-е годы; часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина
Квантовые числа
Электрический заряд
Спин	ħ

Гравито́н — ~~гипотетическая~~^[5] безмассовая элементарная частица — переносчик гравитационного взаимодействия без электрического заряда. Должен обладать спином 2 и двумя возможными направлениями поляризации.

Термин «гравитон» был предложен в 1930-х годах, часто приписывается работе 1934 года Д. И. Блохинцева и Ф. М. Гальперина^[6]^[7].

Гипотеза о существовании гравитонов появилась благодаря успеху квантовой теории поля (особенно Стандартной модели) в моделировании поведения остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии, глюоны в сильном взаимодействии, W^± и Z-бозоны в слабом взаимодействии. Следуя этой аналогии — за гравитационное взаимодействие также может отвечать некая элементарная частица.

Ряд физиков отвергает саму гипотезу о гравитоне как несостоятельную. Например, если гравитоны существуют и действительно имеют скорость света, то они должны излучаться чёрными дырами, что, вероятно, противоречит Общей теории относительности^[8].

Возможно также, что гравитоны являются квазичастицами, удобными для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени, существенно больших планковской длины и планковского времени, но непригодными для описания сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским.^{[источник не указан 4410 дней]}

В различных теориях

Предполагаемый спин гравитона равен $2$ по той причине, что плоская гравитационная волна носит квадрупольный характер, переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению распространения. Также, это следует из числа независимых компонент волновых функций гравитационного поля, которые являются гравитационными потенциалами. Из десяти компонент тензора гравитационного потенциала вследствие равенства нулю следа и четырёх дополнительных условий калибровки (аналогичных калибровке Лоренца в электродинамике) остается $n=5$ независимых компонент. Вследствие формулы $n=2s+1$ ,^[9] связывающей значение спина $s$ с числом компонент волновых функций поля $n$ , получаем значение спина гравитона $s=2$ .^[10]

С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности сил гравитации и инерции является следствием требования Лоренц-инвариантности для гравитонов (безмассовых частиц со спином $2$ ), так как требование Лоренц-инвариантности приводит к калибровочной инвариантности теории, а принцип общей ковариантности, являющийся обобщением принципа калибровочной инвариантности, есть математическое выражение принципа эквивалентности^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]^[16]

Попытки расширить Стандартную модель гравитонами сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий (равных или превышающих планковскую энергию) из-за расходимостей квантовых эффектов (гравитация не ренормализуется). Решение этого вопроса было мотивом построения нескольких предложенных теорий квантовой гравитации (в частности, одной из попыток является теория струн). Несмотря на отсутствие в настоящее время полноценной теории квантовой гравитации, возможно квантование слабых возмущений заданного гравитационного поля в первом порядке по теории возмущений. В рамках такой линеаризованной теории элементарным возбуждением и является гравитон^[17].

В теориях супергравитации также вводится гравитино (спин — ³⁄₂) — суперпартнёр гравитона.

В струнной теории гравитоны, также как и другие частицы — это состояния струн, а не точечные частицы, и в этом случае бесконечности не появляются. В то же время при низких энергиях эти возбуждения можно рассматривать как точечные частицы. То есть гравитон, как и прочие элементарные частицы — это некоторое приближение к реальности, которое можно использовать в области низких энергий.

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации.

Экспериментальное наблюдение

Из-за чрезвычайной слабости гравитационных взаимодействий, экспериментальное подтверждение — обнаружение отдельных гравитонов — в рамках теории струн и других предсказывающих существование гравитонов теорий, например, квантованной линеаризованной общей теории относительности, в настоящее время не представляется возможным^[18].

11 февраля 2016 было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн коллаборациями LIGO и VIRGO^{[уточнить]}^[19]^[20]^[21]. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света^[22].