Grawiton

Pojawiają się hipotezy, że w oddziaływaniach grawitacyjnych pośredniczy nieodkryta jeszcze cząstka elementarna, zwana grawitonem. Trzy inne znane siły natury są pośredniczone przez cząstki elementarne: elektromagnetyzm przez foton, oddziaływanie silne przez gluony, a oddziaływanie słabe przez bozony W i Z. Wszystkie trzy z tych sił wydają się być dokładnie opisane przez Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. W klasycznej granicy udana teoria grawitonów sprowadzałaby się do ogólnej teorii względności, która sama sprowadza się do prawa grawitacji Newtona w granicy pola słabego.

Termin grawiton został pierwotnie ukuty w 1934 roku przez radzieckich fizyków Dmitrija Błochincewa i F.M. Gal’perin.

Grawitony i renormalizacjaEdit

Przy opisie oddziaływań grawitonowych klasyczna teoria diagramów Feynmana i półklasyczne poprawki, takie jak diagramy jednopętlowe, zachowują się normalnie. Jednak diagramy Feynmana z co najmniej dwoma pętlami prowadzą do ultrafioletowych rozbieżności. Te nieskończone wyniki nie mogą być usunięte, ponieważ skwantowana ogólna teoria względności nie jest perturbacyjnie renormalizowalna, w przeciwieństwie do elektrodynamiki kwantowej i modeli takich jak teoria Yanga-Millsa. Dlatego nieobliczalne odpowiedzi znajdują się w metodzie perturbacyjnej, za pomocą której fizycy obliczają prawdopodobieństwo emisji lub absorpcji grawitonów przez cząstkę, a teoria traci wiarygodność predykcyjną. Te problemy i ramy komplementarnego przybliżenia są podstawą do wykazania, że do opisu zachowania w pobliżu skali Plancka potrzebna jest teoria bardziej zunifikowana niż skwantowana ogólna teoria względności.

Porównanie z innymi siłamiEdit

Podobnie jak nośniki sił innych sił (patrz foton, gluon), grawitacja odgrywa rolę w ogólnej teorii względności, w definiowaniu czasoprzestrzeni, w której zachodzą zdarzenia. W niektórych opisach energia modyfikuje „kształt” samej czasoprzestrzeni, a grawitacja jest wynikiem tego kształtu, co na pierwszy rzut oka może wydawać się trudne do pogodzenia z ideą siły działającej między cząstkami. Ponieważ niezmienniczość dyfeomorfizmu teorii nie pozwala na wyodrębnienie żadnego konkretnego tła czasoprzestrzennego jako „prawdziwego” tła czasoprzestrzennego, mówi się, że ogólna teoria względności jest niezależna od tła. W przeciwieństwie do tego Model Standardowy nie jest niezależny od tła, z przestrzenią Minkowskiego cieszącą się specjalnym statusem jako ustalona czasoprzestrzeń tła. Aby pogodzić te różnice, potrzebna jest teoria kwantowej grawitacji. To, czy teoria ta powinna być niezależna od tła, jest pytaniem otwartym. Odpowiedź na to pytanie określi nasze rozumienie tego, jaką konkretną rolę grawitacja odgrywa w losach wszechświata.

Grawitony w teoriach spekulatywnychEdit

Teoria strun przewiduje istnienie grawitonów i ich dobrze zdefiniowanych oddziaływań. Grawiton w perturbacyjnej teorii strun jest zamkniętą struną w bardzo szczególnym niskoenergetycznym stanie wibracyjnym. Rozpraszanie grawitonów w teorii strun można również obliczyć z funkcji korelacji w konforemnej teorii pola, jak nakazuje korespondencja AdS/CFT, lub z teorii macierzy.

Właściwością grawitonów w teorii strun jest to, że jako zamknięte struny bez punktów końcowych nie byłyby związane z rozgałęzieniami i mogłyby swobodnie poruszać się pomiędzy nimi. Jeśli żyjemy na rozgałęzieniu (jak hipotetycznie zakładają teorie rozgałęzień), ten „wyciek” grawitonów z rozgałęzienia do przestrzeni wyższego wymiaru mógłby wyjaśnić, dlaczego grawitacja jest tak słabą siłą, a grawitony z innych rozgałęzień sąsiadujących z naszym mogłyby dostarczyć potencjalnego wyjaśnienia dla ciemnej materii. Jednakże, gdyby grawitony poruszały się całkowicie swobodnie pomiędzy rozgałęzieniami, rozrzedziłyby grawitację zbyt mocno, powodując naruszenie prawa Newtona o odwrotności kwadratu. Aby temu przeciwdziałać, Lisa Randall odkryła, że trójpasmówka (taka jak nasza) będzie miała własne przyciąganie grawitacyjne, zapobiegające swobodnemu dryfowaniu grawitonów, co może skutkować rozrzedzoną grawitacją, którą obserwujemy, przy jednoczesnym zachowaniu prawa odwrotności kwadratu Newtona. Zobacz kosmologia rozgałęzień.

Teoria Ahmeda Faraga Ali i Saurya Das dodaje kwantowo-mechaniczne poprawki (używając trajektorii Bohma) do ogólnych relatywistycznych geodezji. Jeśli grawitonom nada się małą, ale niezerową masę, może to wyjaśnić stałą kosmologiczną bez potrzeby istnienia ciemnej energii i rozwiązać problem małości. Teoria otrzymała Honorowe Wyróżnienie w Konkursie Esejów Fundacji Badań nad Grawitacją w 2014 roku za wyjaśnienie małości stałej kosmologicznej. Również teoria otrzymała Honorowe Wyróżnienie w 2015 Essay Competition of the Gravity Research Foundation za naturalne wyjaśnienie obserwowanej wielkoskalowej jednorodności i izotropowości wszechświata dzięki proponowanym poprawkom kwantowym.

.