Graviton

Es wird vermutet, dass die Gravitationswechselwirkungen durch ein noch unentdecktes Elementarteilchen, das Graviton, vermittelt werden. Die drei anderen bekannten Kräfte der Natur werden durch Elementarteilchen vermittelt: der Elektromagnetismus durch das Photon, die starke Wechselwirkung durch Gluonen und die schwache Wechselwirkung durch die W- und Z-Bosonen. Alle drei dieser Kräfte scheinen durch das Standardmodell der Teilchenphysik genau beschrieben zu werden. Im klassischen Limit würde eine erfolgreiche Theorie der Gravitonen auf die allgemeine Relativitätstheorie zurückgehen, die ihrerseits im Schwachfeldlimit auf das Newtonsche Gravitationsgesetz zurückgeht.

Der Begriff Graviton wurde ursprünglich 1934 von den sowjetischen Physikern Dmitrii Blokhintsev und F.M. Gal’perin geprägt.

Gravitonen und RenormierungBearbeiten

Bei der Beschreibung von Gravitonen-Wechselwirkungen verhalten sich die klassische Theorie der Feynman-Diagramme und semiklassische Korrekturen wie One-Loop-Diagramme normal. Allerdings führen Feynman-Diagramme mit mindestens zwei Schleifen zu ultravioletten Divergenzen. Diese unendlichen Ergebnisse lassen sich nicht beseitigen, da die quantisierte allgemeine Relativitätstheorie im Gegensatz zur Quantenelektrodynamik und Modellen wie der Yang-Mills-Theorie nicht perturbativ renormierbar ist. Die Störungsmethode, mit der Physiker die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass ein Teilchen Gravitonen aussendet oder absorbiert, liefert daher unberechenbare Antworten, und die Theorie verliert an Vorhersagekraft. Diese Probleme und der Rahmen der komplementären Annäherung zeigen, dass eine einheitlichere Theorie als die quantisierte allgemeine Relativitätstheorie erforderlich ist, um das Verhalten in der Nähe der Planck-Skala zu beschreiben.

Vergleich mit anderen KräftenEdit

Wie die Kraftträger der anderen Kräfte (siehe Photon, Gluon) spielt die Gravitation in der allgemeinen Relativitätstheorie eine Rolle bei der Definition der Raumzeit, in der sich Ereignisse abspielen. In einigen Beschreibungen verändert die Energie die „Form“ der Raumzeit selbst, und die Gravitation ist ein Ergebnis dieser Form, eine Idee, die auf den ersten Blick schwer mit der Vorstellung einer Kraft zwischen Teilchen in Einklang zu bringen ist. Da die Diffeomorphismusinvarianz der Theorie es nicht erlaubt, einen bestimmten Raumzeithintergrund als „wahren“ Raumzeithintergrund auszuwählen, wird die allgemeine Relativitätstheorie als hintergrundunabhängig bezeichnet. Im Gegensatz dazu ist das Standardmodell nicht hintergrundunabhängig, wobei der Minkowski-Raum als feste Hintergrund-Raumzeit einen besonderen Status genießt. Um diese Unterschiede in Einklang zu bringen, ist eine Theorie der Quantengravitation erforderlich. Ob diese Theorie hintergrundunabhängig sein sollte, ist eine offene Frage. Die Antwort auf diese Frage wird unser Verständnis davon bestimmen, welche spezifische Rolle die Gravitation im Schicksal des Universums spielt.

Gravitonen in spekulativen TheorienEdit

Die Stringtheorie sagt die Existenz von Gravitonen und deren wohldefinierte Wechselwirkungen voraus. Ein Graviton in der perturbativen Stringtheorie ist ein geschlossener String in einem ganz bestimmten niederenergetischen Schwingungszustand. Die Streuung von Gravitonen in der Stringtheorie kann auch aus den Korrelationsfunktionen in der konformen Feldtheorie berechnet werden, wie es die AdS/CFT-Korrespondenz vorschreibt, oder aus der Matrixtheorie.

Ein Merkmal der Gravitonen in der Stringtheorie ist, dass sie als geschlossene Strings ohne Endpunkte nicht an Branen gebunden sind und sich frei zwischen ihnen bewegen können. Wenn wir auf einer Brane leben (wie es die Brane-Theorien annehmen), könnte dieses „Austreten“ von Gravitonen aus der Brane in den höherdimensionalen Raum erklären, warum die Gravitation eine so schwache Kraft ist, und Gravitonen von anderen Branen, die an unsere Brane angrenzen, könnten eine mögliche Erklärung für die dunkle Materie liefern. Würden sich die Gravitonen jedoch völlig frei zwischen den Branen bewegen, würde dies die Schwerkraft zu sehr verdünnen und zu einem Verstoß gegen das Newtonsche Gesetz des umgekehrten Quadrats führen. Um dem entgegenzuwirken, hat Lisa Randall herausgefunden, dass eine Drei-Branen-Kosmologie (wie die unsere) eine eigene Anziehungskraft hat, die verhindert, dass Gravitonen frei umherschweben, was zu der von uns beobachteten verdünnten Schwerkraft führen könnte, während das Newtonsche Gesetz des umgekehrten Quadrats in etwa erhalten bleibt. Siehe Brane-Kosmologie.

Eine Theorie von Ahmed Farag Ali und Saurya Das fügt quantenmechanische Korrekturen (unter Verwendung von Bohm-Trajektorien) zu allgemein relativistischen Geodäten hinzu. Wenn Gravitonen eine kleine, aber von Null verschiedene Masse erhalten, könnte dies die kosmologische Konstante ohne dunkle Energie erklären und das Problem der Kleinheit lösen. Die Theorie erhielt eine lobende Erwähnung im Aufsatzwettbewerb 2014 der Gravity Research Foundation für die Erklärung der geringen Größe der kosmologischen Konstante. Außerdem erhielt die Theorie eine lobende Erwähnung im Aufsatzwettbewerb 2015 der Gravity Research Foundation für die natürliche Erklärung der beobachteten großräumigen Homogenität und Isotropie des Universums aufgrund der vorgeschlagenen Quantenkorrekturen.