Gravitoni

Hypoteesina on, että gravitaatiovuorovaikutusta välittää vielä löytämätön alkeishiukkanen, jota kutsutaan gravitoniksi. Kolme muuta tunnettua luonnonvoimaa välittävät alkeishiukkaset: sähkömagnetismia fotoni, vahvaa vuorovaikutusta gluonit ja heikkoa vuorovaikutusta W- ja Z-bosonit. Hiukkasfysiikan standardimalli näyttää kuvaavan tarkasti kaikki kolme voimaa. Klassisessa raja-arvossa onnistunut gravitoniteoria redusoituisi yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka puolestaan redusoituu Newtonin gravitaatiolakiin heikon kentän raja-arvossa.

Termin gravitoni keksivät alun perin vuonna 1934 neuvostoliittolaiset fyysikot Dmitrii Blokhintsev ja F.M. Gal’perin.

Gravitonit ja renormalisointi Muokkaa

Kuvailtaessa gravitonien vuorovaikutusta klassisen teorian Feynman-diagrammit ja puoliklassiset korjaukset, kuten yhden silmukan diagrammit, käyttäytyvät normaalisti. Feynmanin kaaviot, joissa on vähintään kaksi silmukkaa, johtavat kuitenkin ultraviolettivirheisiin. Näitä äärettömiä tuloksia ei voida poistaa, koska kvantittunut yleinen suhteellisuusteoria ei ole perturbatiivisesti renormalisoitavissa, toisin kuin kvanttielektrodynamiikka ja Yang-Millsin teorian kaltaiset mallit. Siksi perturbaatiomenetelmästä, jolla fyysikot laskevat hiukkasen todennäköisyyden emitoida tai absorboida gravitaatioita, saadaan laskemattomia vastauksia, ja teoria menettää ennustettavuutensa. Nämä ongelmat ja komplementaarinen approksimaatiokehys ovat perusteena sille, että tarvitaan kvantittunutta yleistä suhteellisuusteoriaa yhtenäisempi teoria kuvaamaan käyttäytymistä lähellä Planckin mittakaavaa.

Vertailu muihin voimiinEdit

Kuten muidenkin voimien voimankantajilla (vrt. fotoni, gluoni), myös gravitaatiolla on yleisessä suhteellisuusteoriassa oma roolinsa määrittelemässä avaruusaikaa, jossa tapahtumat tapahtuvat. Joissakin kuvauksissa energia muuttaa itse avaruusajan ”muotoa”, ja gravitaatio on seurausta tästä muodosta, ajatus, joka ensi silmäyksellä saattaa tuntua vaikealta sovittaa yhteen ajatuksen kanssa hiukkasten välillä vaikuttavasta voimasta. Koska teorian diffeomorfismi-invarianssi ei salli minkään tietyn aika-avaruustaustan erottamista ”oikeaksi” aika-avaruustaustaksi, yleisen suhteellisuusteorian sanotaan olevan taustasta riippumaton. Standardimalli sen sijaan ei ole taustasta riippumaton, ja Minkowskin avaruus nauttii erityisasemaa kiinteänä tausta-aika-avaruutena. Näiden erojen yhteensovittamiseksi tarvitaan kvanttigravitaatioteoriaa. Se, pitäisikö tämän teorian olla taustasta riippumaton, on avoin kysymys. Vastaus tähän kysymykseen määrittää käsityksemme siitä, mikä erityinen rooli gravitaatiolla on maailmankaikkeuden kohtalossa.

Gravitonit spekulatiivisissa teorioissaEdit

Jousiteoria ennustaa gravitonien ja niiden hyvin määriteltyjen vuorovaikutusten olemassaolon. Gravitoni on perturbatiivisessa säieteoriassa suljettu säie hyvin erityisessä matalaenergisessä värähtelytilassa. Gravitonien sironta säieteoriassa voidaan laskea myös AdS/CFT-korrespondenssin sanelemista konformisen kenttäteorian korrelaatiofunktioista tai matriisiteoriasta.

Säieteorian gravitonien erityispiirteenä on se, että suljettuina säikeinä, joilla ei ole päätepisteitä, ne eivät olisi sidottuja haaroihin ja voisivat liikkua vapaasti niiden välillä. Jos elämme jollakin lonkerolla (kuten lonkeroteorioissa oletetaan), tämä gravitonien ”vuoto” lonkerosta korkeampiulotteiseen avaruuteen voisi selittää, miksi gravitaatio on niin heikko voima, ja gravitonit muista lonkeroista, jotka ovat vierekkäin oman lonkeromme kanssa, voisivat tarjota mahdollisen selityksen pimeälle aineelle. Jos gravitonit kuitenkin liikkuisivat täysin vapaasti haarojen välillä, se laimentaisi gravitaatiota liikaa, mikä johtaisi Newtonin käänteisneliölain rikkomiseen. Tätä vastaan Lisa Randall havaitsi, että kolmihaaralla (kuten meillä) olisi oma gravitaatiovetovoimansa, joka estäisi gravitonien vapaan liikkumisen, mikä mahdollisesti johtaisi havaitsemaamme laimennettuun gravitaatioon ja säilyttäisi samalla suurin piirtein Newtonin käänteisneliöisen lain.

Ahmed Farag Alin ja Saurya Dasin teoria lisää kvanttimekaanisia korjauksia (Bohmin ratojen avulla) yleisiin relativistisiin geodesioihin. Jos gravitoneille annetaan pieni mutta nollasta poikkeava massa, se voisi selittää kosmologisen vakion ilman pimeää energiaa ja ratkaista pienuusongelman. Teoria sai kunniamaininnan Gravity Research Foundationin vuoden 2014 esseekilpailussa kosmologisen vakion pienuuden selittämisestä. Lisäksi teoria sai kunniamaininnan Gravity Research Foundationin vuoden 2015 esseekilpailussa siitä, että se selittää luonnollisesti maailmankaikkeuden havaitun suuren mittakaavan homogeenisuuden ja isotrooppisuuden ehdotettujen kvanttikorjausten ansiosta.