Graviton

Det er en hypotese, at gravitationelle vekselvirkninger formidles af en endnu uopdaget elementarpartikel, kaldet graviton. De tre andre kendte naturkræfter er formidlet af elementarpartikler: elektromagnetisme af fotonen, den stærke vekselvirkning af gluoner og den svage vekselvirkning af W- og Z-bosonerne. Alle disse tre kræfter synes at være præcist beskrevet af partikelfysikkens standardmodel. I den klassiske grænse vil en vellykket teori om gravitoner kunne reduceres til den generelle relativitetsteori, som selv reduceres til Newtons gravitationslov i det svage felt-grænsen.

Tegningen graviton blev oprindeligt opfundet i 1934 af de sovjetiske fysikere Dmitrii Blokhintsev og F.M. Gal’perin.

Gravitoner og renormaliseringRediger

Når gravitonernes vekselvirkninger beskrives, opfører den klassiske teori om Feynman-diagrammer og semiklassiske korrektioner som f.eks. et-loop-diagrammer sig normalt. Feynman-diagrammer med mindst to sløjfer fører imidlertid til ultraviolette divergenser. Disse uendelige resultater kan ikke fjernes, fordi den kvantiserede generelle relativitetsteori ikke er perturbativt renormaliserbar, i modsætning til kvanteelektrodynamikken og modeller som Yang-Mills-teorien. Derfor findes der uberegnelige svar ud fra den perturbationsmetode, hvormed fysikere beregner sandsynligheden for, at en partikel udsender eller absorberer gravitoner, og teorien mister sin forudsigelsesværdighed. Disse problemer og den komplementære approksimationsramme er begrundelser for at vise, at der er behov for en mere forenet teori end den kvantiserede generelle relativitetsteori for at beskrive opførslen nær Planck-skalaen.

Sammenligning med andre kræfterRediger

I lighed med kraftbærerne for de andre kræfter (se foton, gluon) spiller gravitationen en rolle i den generelle relativitetsteori, idet den definerer den rumtid, hvori begivenhederne finder sted. I nogle beskrivelser ændrer energien selve rumtidens “form”, og tyngdekraften er et resultat af denne form, en idé, som ved første øjekast kan synes vanskelig at matche med tanken om en kraft, der virker mellem partikler. Fordi teoriens diffeomorfismeinvarians ikke gør det muligt at udpege en bestemt rumtidsbaggrund som den “sande” rumtidsbaggrund, siges den generelle relativitetsteori at være baggrundsuafhængig. Standardmodellen er derimod ikke baggrundsuafhængig, idet Minkowski-rummet har en særlig status som den faste baggrundsrumtid. Der er behov for en teori om kvantetyngdekraften for at kunne forene disse forskelle. Det er et åbent spørgsmål, om denne teori skal være baggrundsuafhængig. Svaret på dette spørgsmål vil være afgørende for vores forståelse af, hvilken specifik rolle gravitationen spiller for universets skæbne.

Gravitoner i spekulative teorierRediger

Strengteorien forudsiger eksistensen af gravitoner og deres veldefinerede vekselvirkninger. En graviton i perturbativ strengteori er en lukket streng i en meget speciel lav-energi vibrationstilstand. Spredningen af gravitoner i strengteorien kan også beregnes ud fra korrelationsfunktionerne i konform feltteori, som dikteret af AdS/CFT-korrespondancen, eller ud fra matrixteori.

Et træk ved gravitoner i strengteorien er, at de som lukkede strenge uden endepunkter ikke ville være bundet til branerne og frit kunne bevæge sig mellem dem. Hvis vi lever på en brane (som det antages i brane-teorier), kunne denne “lækage” af gravitoner fra branen til det højere dimensionelle rum forklare, hvorfor gravitation er en så svag kraft, og gravitoner fra andre braner, der støder op til vores egen, kunne give en potentiel forklaring på mørkt stof. Hvis gravitonerne bevæger sig helt frit mellem branes, vil det imidlertid udvande tyngdekraften for meget, hvilket vil medføre en overtrædelse af Newtons omvendt kvadratiske lov. For at modvirke dette fandt Lisa Randall ud af, at en tre-brane (som vores) ville have sin egen tyngdekraft, hvilket ville forhindre gravitoner i at bevæge sig frit, hvilket muligvis ville resultere i den fortyndede tyngdekraft, vi observerer, samtidig med at Newtons omvendt kvadratiske lov stort set opretholdes. Se brane-kosmologi.

En teori af Ahmed Farag Ali og Saurya Das tilføjer kvantemekaniske korrektioner (ved hjælp af Bohm-baner) til de generelle relativistiske geodætiske geodætiske baner. Hvis gravitoner får en lille, men ikke-nul masse, kan det forklare den kosmologiske konstant uden behov for mørk energi og løse småhedsproblemet. Teorien modtog en hæderlig omtale i 2014 Essay Competition of the Gravity Research Foundation for at forklare den kosmologiske konstants lillehed. Teorien modtog også en hæderlig omtale i 2015 Essay Competition of the Gravity Research Foundation for på naturlig vis at forklare den observerede homogenitet og isotropi i universet i stor skala som følge af de foreslåede kvantekorrektioner.