Graviton

Het is een hypothese dat gravitatie-interacties worden bemiddeld door een nog niet ontdekt elementair deeltje, dat het graviton wordt genoemd. De drie andere bekende natuurkrachten worden bemiddeld door elementaire deeltjes: elektromagnetisme door het foton, de sterke wisselwerking door gluonen, en de zwakke wisselwerking door de W en Z bosonen. Alle drie deze krachten blijken nauwkeurig te worden beschreven door het Standaardmodel van de deeltjesfysica. In de klassieke limiet zou een succesvolle theorie van gravitonen herleiden tot de algemene relativiteit, die zelf herleidt tot de gravitatiewet van Newton in de zwakke-veldlimiet.

De term graviton werd oorspronkelijk in 1934 bedacht door de Sovjet-fysici Dmitrii Blokhintsev en F.M. Gal’perin.

Gravitonen en renormalisatieEdit

Bij het beschrijven van graviton interacties gedragen de klassieke theorie van Feynman diagrammen en semiklassieke correcties zoals one-loop diagrammen zich normaal. Echter, Feynman diagrammen met ten minste twee lussen leiden tot ultraviolette divergenties. Deze oneindige resultaten kunnen niet worden verwijderd omdat gekwantiseerde algemene relativiteit niet perturbatief renormaliseerbaar is, in tegenstelling tot kwantumelektrodynamica en modellen zoals de Yang-Mills theorie. Daarom worden onberekenbare antwoorden gevonden in de perturbatiemethode waarmee fysici de waarschijnlijkheid berekenen dat een deeltje gravitonen uitzendt of absorbeert, en verliest de theorie haar voorspellende waarachtigheid. Deze problemen en het complementaire benaderingskader zijn reden om aan te tonen dat een theorie meer verenigd dan gekwantiseerde algemene relativiteit nodig is om het gedrag in de buurt van de Planck schaal te beschrijven.

Vergelijking met andere krachtenEdit

Zoals de krachtdragers van de andere krachten (zie foton, gluon), speelt gravitatie een rol in de algemene relativiteit, in het definiëren van de ruimtetijd waarin gebeurtenissen plaats vinden. In sommige beschrijvingen wijzigt energie de “vorm” van de ruimtetijd zelf, en zwaartekracht is een gevolg van deze vorm, een idee dat op het eerste gezicht moeilijk te rijmen lijkt met het idee van een kracht die tussen deeltjes werkt. Omdat de diffeomorfisme invariantie van de theorie niet toestaat dat een bepaalde ruimte-tijd achtergrond wordt aangewezen als de “ware” ruimte-tijd achtergrond, wordt gezegd dat de algemene relativiteit onafhankelijk is van de achtergrond. Het Standaardmodel daarentegen is niet achtergrondonafhankelijk, waarbij de Minkowski-ruimte een speciale status geniet als de vaste achtergrond-ruimte-tijd. Er is een theorie van kwantumzwaartekracht nodig om deze verschillen met elkaar te verzoenen. Of deze theorie achtergrondonafhankelijk moet zijn, is een open vraag. Het antwoord op deze vraag zal ons begrip bepalen van welke specifieke rol gravitatie speelt in het lot van het universum.

Gravitonen in speculatieve theorieënEdit

Snaartheorie voorspelt het bestaan van gravitonen en hun goed gedefinieerde interacties. Een graviton in perturbatieve snaartheorie is een gesloten snaar in een zeer bijzondere lage-energie trillingstoestand. De verstrooiing van gravitonen in snaartheorie kan ook worden berekend uit de correlatiefuncties in conforme veldentheorie, zoals gedicteerd door de AdS/CFT correspondentie, of uit matrixtheorie.

Een kenmerk van gravitonen in snaartheorie is dat ze, als gesloten snaren zonder eindpunten, niet gebonden zouden zijn aan draden en vrij tussen draden zouden kunnen bewegen. Als we leven op een spinneweb (zoals verondersteld door de spinteeltheorieën), zou dit “lekken” van gravitonen van het spinneweb naar de hoger-dimensionale ruimte kunnen verklaren waarom gravitatie zo’n zwakke kracht is, en gravitonen van andere netten naast de onze zouden een mogelijke verklaring kunnen bieden voor donkere materie. Maar als gravitonen zich volledig vrij tussen zemen zouden bewegen, zou dit de zwaartekracht te veel verdunnen, wat een overtreding van Newtons omgekeerd-kwadraatwet zou veroorzaken. Om dit tegen te gaan ontdekte Lisa Randall dat een drie-brane (zoals de onze) een eigen zwaartekracht aantrekkingskracht zou hebben, die voorkomt dat gravitonen vrij kunnen bewegen, wat mogelijk resulteert in de verdunde zwaartekracht die we waarnemen, terwijl de omgekeerd-kwadraat wet van Newton ongeveer gehandhaafd blijft. Zie brane kosmologie.

Een theorie van Ahmed Farag Ali en Saurya Das voegt kwantummechanische correcties (met behulp van Bohm trajectoriën) toe aan algemeen relativistische geodeten. Als gravitonen een kleine maar niet-nul massa krijgen, zou dit de kosmologische constante kunnen verklaren zonder noodzaak voor donkere energie en het kleinheidsprobleem kunnen oplossen. De theorie ontving een Honorable Mention in de 2014 Essay Competition van de Gravity Research Foundation voor het verklaren van de kleinheid van de kosmologische constante. Ook ontving de theorie een Honorable Mention in de 2015 Essay Competition van de Gravity Research Foundation voor het op natuurlijke wijze verklaren van de waargenomen grootschalige homogeniteit en isotropie van het heelal als gevolg van de voorgestelde kwantumcorrecties.