YaChudo

Гравітон

Переглядів: 0. Оновлено 26.10.2026.

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Гравітон.
гравітон
Символg, G
Родинабозон
Групакалібрувальний бозон
АнтичастинкаГравітон Редагувати інформацію у Вікіданих
Гіпотетичний суперпартнергравітино[1] Редагувати інформацію у Вікіданих
Фізичні властивості
Маса0 (теорія)
<6×10-32 еВ/c² (верхня експериментальна межа)
Час життястабільний
Заряд0
Спін2
Число спінових станів5
Парність1 Редагувати інформацію у Вікіданих
Взаємодія
Взаємодіїгравітаційна
Дані про відкриття
Статусгіпотетичний
Передбачена1930
CMNS: гравітон у Вікісховищі Редагувати інформацію у Вікіданих

Гравіто́н — гіпотетичний квант гравітації — безмасова елементарна частинка без електричного заряду зі спіном 2 і двома можливими напрямами поляризації.

Попри відсутність нині повноцінної теорії квантової гравітації, можливе квантування слабких збурень заданого гравітаційного поля. В рамках такої лінеаризованої теорії елементарним збудженням є гравітон — безмасовий квант поля спіральності 2.[2] Внаслідок надзвичайної слабкості гравітаційної взаємодії, експериментальне виявлення окремих гравітонів нині (2019) не є можливим.

Огляд

У теоріях квантової гравітації гравітон — гіпотетична елементарна частинка, яка опосередковує силу гравітаційної взаємодії. Це квант енергії гравітаційної хвилі.[3] Повної квантової теорії поля гравітонів не існує через нерозв'язану математичну проблему перенормування в загальній теорії відносності. Цієї проблеми уникають у теорії струн, яка розглядає гравітон як безмасовий стан фундаментальної струни, але ця теорія не досягла достатнього прогресу.

Якщо він існує, то очікується, що гравітон буде безмасовим, оскільки гравітаційна сила має дуже великий радіус дії та, схоже, поширюється зі швидкістю світла. Гравітон має бути бозоном зі спіном 2, оскільки джерелом гравітації є тензор енергії-напруження, тензор другого порядку (порівняно з фотоном зі спіном 1 в електромагнетизмі, джерелом якого є чотириструмовий тензор першого порядку). Крім того, можна показати, що будь-яке безмасове поле зі спіном 2 породжуватиме силу, нерозрізненну з гравітацією, оскільки безмасове поле зі спіном 2 взаємодіятиме з тензором енергії-напруження так само, як гравітаційні взаємодії. Цей результат свідчить про те, що якщо буде виявлено безмасову частинку зі спіном 2, то це має бути гравітон.[4]

Теорія

Є гіпотеза, що гравітаційні взаємодії опосередковує невідкрита елементарна частинка, яку назвали гравітон. Три інші відомі взаємодії опосередковуються елементарними частинками: електромагнетизм — фотоном, сильна взаємодія — глюонами та слабка взаємодія — W- та Z-бозонами. Всі три взаємодії, схлже, точно описує Стандартна модель фізики елементарних частинок. У класичній границі успішна теорія гравітонів зводиться до загальної теорії відносності, яка сама зводиться до закону гравітації Ньютона в границі слабкого поля.[5][6][7]

Історія

Альберт Айнштайн обговорював квантове гравітаційне випромінювання 1916 року, за рік після того, як опублікував загальну теорію відносності.[8]:525Термін «гравітон» увели 1934 року радянські фізики Дмитро Блохінцев і Федір Гальперін.[9][8] 1959 року Поль Дірак використав цей термін у низці лекцій, зазначивши, що енергія гравітаційного поля повинна виражатися квантами.[10][11] Посередництво гравітаційної взаємодії частинками передбачав П'єр-Сімон Лаплас.[12] Так само, як і передбачені Ньютоном фотони, передбачені Лапласом «гравітони» мали швидкість, більшу за швидкість світла у вакуумі c {\displaystyle c} (очікувана швидкість гравітонів у сучасних теоріях), і не були пов'язані з квантовою механікою чи спеціальною теорією відносності, оскільки він випередив ці теорії на століття.

Гравітони і перенормування

Під час опису взаємодії гравітонів класична теорія діаграм Фейнмана та напівкласичні корекції, як-от однопетльові діаграми, поводяться нормально. Однак діаграми Фейнмана з принаймні двома петлями призводять до ультрафіолетових розбіжностей.[13] Ці нескінченні результати неможливо виключити, оскільки квантована загальна теорія відносності не є пертурбативно перенормовною, на відміну від квантової електродинаміки та моделей, таких як теорія Янга — Міллса. Тому метод збурень, за допомогою якого фізики обчислюють імовірність випромінювання або поглинання гравітонів частинкою, дає незліченні результати, і теорія втрачає свою прогностичну достовірність. Ці проблеми та структура комплементарного наближення є підставою показати, що для опису поведінки поблизу масштабу Планка потрібна теорія, більш уніфікована, ніж квантована загальна теорія відносності.

Енергія та довжина хвилі

Хоча гравітони вважають безмасовими, вони все одно переносять енергію, як і будь-яка інша квантова частинка.[14] Енергію фотонів та енергію глюонів також переносять безмасові частинки.

Або ж, якщо гравітони взагалі масивні, аналіз гравітаційних хвиль дав нову верхню межу маси гравітонів. Комптонівська довжина хвилі гравітона становить щонайменше 1,6×1016 м, або близько 1,6 світлових років, що відповідає масі гравітона не більше 7,7×10−23 еВ/c2.[15] Це співвідношення між довжиною хвилі та масою-енергією розраховується за допомогою співвідношення Планка — Айнштайна, тієї ж формули, яка пов'язує довжину електромагнітної хвилі з енергією фотона.

Експериментальне спостереження

Однозначне виявлення окремих гравітонів, хоча й не заборонене жодним фундаментальним законом, вважалося неможливим за допомогою будь-якого фізично обґрунтованого детектора.[16] Причина полягає в надзвичайно низькому ефективному перерізі взаємодії гравітонів із речовиною. Наприклад, детектор з масою Юпітера та 100 % ефективністю, розміщений на близькій орбіті навколо нейтронної зорі, навіть за найсприятливіших умов міг би зафіксувати лише один гравітон раз на 10 років. Відрізнити ці події від фону нейтрино було б неможливо, оскільки розміри необхідного нейтринного екрану спричинили б колапс у чорну діру.[16] Припускають, що квантове зондування зробить можливим виявлення окремих гравітонів.[3] Навіть квантові події можуть не свідчити про квантування гравітаційного випромінювання.[17]

Спостереження колаборацій LIGO та Virgo безпосередньо виявили гравітаційні хвилі.[18][19][20] Хоча ці експерименти не можуть виявити окремих гравітонів,[21] вони можуть надати інформацію про певні властивості гравітона. Наприклад, якби було виявлено, що гравітаційні хвилі поширюються повільніше за c (швидкість світла у вакуумі), це означало б, що гравітон має масу (проте, щоб гравітаційні хвилі можна було виявити, вони повинні поширюватися повільніше за c у зоні з ненульовою густиною маси).[22] Крім того, за наявності гравітаційної хвилі, за допомогою сучасних технологій має бути можливим спостерігати (за допомогою інтерференції або ефектів биття після лінії затримки) ознаки вимушеного випромінювання або поглинання гравітонів.[23] Спостереження гравітаційних хвиль установлюють верхню межу 1,76×10−23 еВ/c2 від маси гравітона.[24]

Вимірювання траєкторії руху планет Сонячної системи космічними місіями, як-от Cassini та MESSENGER, дають порівнянну верхню межу 3,16×10−23 еВ/c2.[25] Дані про гравітаційні хвилі та планетарні ефемериди не обов'язково мають збігатися: вони перевіряють різні аспекти потенційної теорії, заснованої на гравітонах.[26]:71

Астрономічні спостереження кінематики галактик, особливо проблема обертання галактик та модифікована ньютонівська динаміка, можуть вказувати на те, що гравітони мають ненульову масу.[27][28]

Труднощі та нерозв'язані питання

Більшість теорій, що містять гравітони, мають серйозні проблеми. Спроби розширити Стандартну модель або інші квантові теорії поля шляхом додавання гравітонів стикаються з серйозними теоретичними труднощами за енергій, близьких до планківського масштабу або вищих. Нескінченності виникають через квантові ефекти; технічно гравітацію неможливо перенормувати. Оскільки класична загальна теорія відносності та квантова механіка видаються за таких енергій несумісними, ця ситуація неприйнятна з теоретичного погляду.

Одним із можливих виходів є заміна частинок струнами. Струни — це одновимірні петлі, які запобігають дивергенціям завдяки згладжуванню гравітаційних взаємодій. Частинка, яку ототожнюють із гравітоном, фігурує у теорії струн, де взаємодії на великі відстані описуються загальною теорією відносності. На жаль, моделі, засновані на струнах, розроблено лише для кількох слабо взаємодіючих струн.[29]

Див. також

Примітки

  1. ↑ Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics — ISBN 978-94-007-2464-8
  2. ↑ Лінеаризована тензорна ЗТВ. Архів оригіналу за 10 березня 2016. Процитовано 12 серпня 2014.
  3. ↑ а б Tobar, Germain та ін. (22 серпня 2024). Detecting single gravitons with quantum sensing. Nat Commun (англ.). 15 (1). arXiv:2308.15440. Bibcode:2024NatCo..15.7229T. doi:10.1038/s41467-024-51420-8. PMC 11341900. PMID 39174544.
  4. ↑ Порівняння геометричного виведення та (негеометричного) виведення загальної теорії відносності на основі поля зі спіном 2 наведено у вставці 18.1 (а також 17.2.5) у Misner, C. W.; Thorne, K. S.; Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0344-0.
  5. ↑ Feynman, R. P.; Morinigo, F. B.; Wagner, W. G.; Hatfield, B. (1995). Feynman Lectures on Gravitation. Addison-Wesley. ISBN 0-201-62734-5.
  6. ↑ Zee, Anthony (2003). Quantum Field Theory in a Nutshell (амер.). Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 0-691-01019-6.
  7. ↑ Randall, L. (2005). Warped Passages: Unraveling the Universe's Hidden Dimensions. Ecco Press. ISBN 0-06-053108-8.
  8. ↑ а б Stachel, John (1999). The Early History of Quantum Gravity (1916–1940). Black Holes, Gravitational Radiation and the Universe. Fundamental Theories of Physics. Т. 100. с. 525—534. doi:10.1007/978-94-017-0934-7_31. ISBN 978-90-481-5121-9.
  9. ↑ Blokhintsev, D. I.; Gal'perin, F. M. (1934). Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии [Neutrino hypothesis and conservation of energy]. Pod Znamenem Marxisma (рос.). 6: 147—157. ISBN 978-5-04-008956-7.
  10. ↑ Farmelo, Graham (2009). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius (англ.). Faber and Faber. с. 367–368. ISBN 978-0-571-22278-0.
  11. ↑ Debnath, Lokenath (2013). A short biography of Paul A. M. Dirac and historical development of Dirac delta function. International Journal of Mathematical Education in Science and Technology (англ.). 44 (8): 1201—1223. Bibcode:2013IJMES..44.1201D. doi:10.1080/0020739X.2013.770091. ISSN 0020-739X.
  12. ↑ Zee, Anthony (24 квітня 2018). On Gravity: A Brief Tour of a Weighty Subject (амер.). Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-17438-9.
  13. ↑ Bern, Zvi; Chi, Huan-Hang; Dixon, Lance; Edison, Alex (22 лютого 2017). Two-loop renormalization of quantum gravity simplified (PDF). Physical Review D (англ.). 95 (4). arXiv:1701.02422. Bibcode:2017PhRvD..95d6013B. doi:10.1103/PhysRevD.95.046013. ISSN 2470-0010.
  14. ↑ O'Keefe, Madeleine (23 липня 2019). Massless particles can't be stopped | symmetry magazine. www.symmetrymagazine.org (англ.). Процитовано 13 липня 2025.
  15. ↑ Abbott, B. P. та ін. (1 червня 2017). GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2. Physical Review Letters. 118 (22). arXiv:1706.01812. Bibcode:2017PhRvL.118v1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.118.221101. PMID 28621973.
  16. ↑ а б Rothman, T.; Boughn, S. (2006). Can Gravitons be Detected?. Foundations of Physics. 36 (12): 1801—1825. arXiv:gr-qc/0601043. Bibcode:2006FoPh...36.1801R. doi:10.1007/s10701-006-9081-9.
  17. ↑ Carney, Daniel; Domcke, Valerie; Rodd, Nicholas L. (5 лютого 2024). Graviton detection and the quantization of gravity. Physical Review D. 109 (4). arXiv:2308.12988. Bibcode:2024PhRvD.109d4009C. doi:10.1103/PhysRevD.109.044009.
  18. ↑ Abbott, B. P. та ін. (11 лютого 2016). LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters (англ.). 116 (6). arXiv:1602.03837. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. ISSN 0031-9007. PMID 26918975.
  19. ↑ Castelvecchi, Davide; Witze, Witze (11 лютого 2016). Einstein's gravitational waves found at last. Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361.
  20. ↑ Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction. NSF – National Science Foundation. Процитовано 11 лютого 2016.
  21. ↑ Dyson, Freeman (8 жовтня 2013). Is a Graviton Detectable?. International Journal of Modern Physics A. 28 (25): 1330041–1–1330035–14. Bibcode:2013IJMPA..2830041D. doi:10.1142/S0217751X1330041X.
  22. ↑ Will, C. M. (1998). Bounding the mass of the graviton using gravitational-wave observations of inspiralling compact binaries (PDF). Physical Review D. 57 (4): 2061—2068. arXiv:gr-qc/9709011. Bibcode:1998PhRvD..57.2061W. doi:10.1103/PhysRevD.57.2061. Архів (PDF) оригіналу за 24 липня 2018.
  23. ↑ Schützhold, Ralf (2025). Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light. Phys. Rev. Lett. American Physical Society. 135 (17): 171501. doi:10.1103/xd97-c6d7.
  24. ↑ R Abbot та ін. (15 червня 2021). Tests of General Relativity with Binary Black Holes from the second LIGO-Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog. Physical Review Letters. 103 (12): 122022. arXiv:2010.14529. Bibcode:2021PhRvD.103l2002A. doi:10.1103/PhysRevD.103.122002.
  25. ↑ L. Bernus та ін. (15 липня 2020). Constraint on the Yukawa suppression of the Newtonian potential from the planetary ephemeris INPOP19a. Physical Review Letters. 102 (2): 021501(R). arXiv:2006.12304. Bibcode:2020PhRvD.102b1501B. doi:10.1103/PhysRevD.102.021501.
  26. ↑ Fienga, Agnès; Minazzoli, Olivier (29 січня 2024). Testing theories of gravity with planetary ephemerides. Living Reviews in Relativity (англ.). 27 (1). arXiv:2303.01821. Bibcode:2024LRR....27....1F. doi:10.1007/s41114-023-00047-0. ISSN 1433-8351.
  27. ↑ Trippe, Sascha (2012). A Simplified Treatment of Gravitational Interaction on Galactic Scales. Journal of the Korean Astronomical Society. 46 (1): 41—47. arXiv:1211.4692. Bibcode:2013JKAS...46...41T. doi:10.5303/JKAS.2013.46.1.41.
  28. ↑ Platscher, Moritz; Smirnov, Juri; Meyer, Sven; Bartelmann, Matthias (2018). Long range effects in gravity theories with Vainshtein screening. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2018 (12): 009. arXiv:1809.05318. Bibcode:2018JCAP...12..009P. doi:10.1088/1475-7516/2018/12/009.
  29. ↑ Greene, Brian R.; Morrison, David R.; Polchinski, Joseph (15 вересня 1998). String theory. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). 95 (19): 11039—11040. doi:10.1073/pnas.95.19.11039. ISSN 0027-8424. PMC 33894. PMID 9736684.

Джерело: стаття у Вікіпедії та історія редагувань (автори).