Graviton

Hypotesen är att gravitationsinteraktioner förmedlas av en ännu oupptäckt elementarpartikel, kallad graviton. De tre andra kända naturkrafterna förmedlas av elementarpartiklar: elektromagnetismen av fotonen, den starka växelverkan av gluoner och den svaga växelverkan av W- och Z-bosonerna. Alla dessa tre krafter tycks beskrivas korrekt av partikelfysikens standardmodell. I den klassiska gränsen skulle en framgångsrik teori om gravitoner kunna reduceras till den allmänna relativitetsteorin, som i sin tur reduceras till Newtons gravitationslag i gränsen för det svaga fältet.

Tecknet graviton myntades ursprungligen 1934 av de sovjetiska fysikerna Dmitrii Blokhintsev och F.M. Gal’perin.

Gravitoner och renormaliseringRedigera

När gravitonernas växelverkan beskrivs beter sig den klassiska teorin med Feynman-diagram och semiklassiska korrigeringar, som till exempel enloopdiagram, normalt. Feynmandiagram med minst två slingor leder dock till ultravioletta divergenser. Dessa oändliga resultat kan inte avlägsnas eftersom kvantiserad allmän relativitetsteori inte är perturbativt renormaliserbar, till skillnad från kvantelektrodynamik och modeller som Yang-Mills-teorin. Därför finner man oöverskådliga svar från störningsmetoden genom vilken fysikerna beräknar sannolikheten för att en partikel ska avge eller absorbera gravitoner, och teorin förlorar sin prediktiva sanningshalt. Dessa problem och det komplementära approximationsramverket är skäl för att visa att det krävs en mer enhetlig teori än den kvantiserade allmänna relativitetsteorin för att beskriva beteendet nära Planckskalan.

Jämförelse med andra krafterRedigera

I likhet med kraftbärarna för de andra krafterna (se foton, gluon) spelar gravitationen en roll i den allmänna relativitetsteorin, när det gäller att definiera den rymdtid i vilken händelserna äger rum. I vissa beskrivningar ändrar energin själva rumtidens ”form” och gravitationen är ett resultat av denna form, en idé som vid första anblicken kan tyckas svår att matcha med idén om en kraft som verkar mellan partiklar. Eftersom teorins diffeomorfisminvarians inte tillåter att någon särskild rymdtidsbakgrund pekas ut som den ”sanna” rymdtidsbakgrunden, sägs den allmänna relativitetsteorin vara bakgrundsoberoende. Standardmodellen är däremot inte bakgrundsoberoende, och Minkowskirummet har en särskild status som den fasta bakgrundsrymdtiden. Det behövs en teori om kvantgravitation för att kunna förena dessa skillnader. Huruvida denna teori bör vara bakgrundsoberoende är en öppen fråga. Svaret på denna fråga kommer att avgöra vår förståelse av vilken specifik roll gravitationen spelar för universums öde.

Gravitoner i spekulativa teorierRedigera

Strängteorin förutsäger existensen av gravitoner och deras väldefinierade interaktioner. En graviton i perturbativ strängteori är en sluten sträng i ett mycket speciellt vibrationstillstånd med låg energi. Spridningen av gravitoner i strängteori kan också beräknas från korrelationsfunktionerna i konform fältteori, vilket dikteras av AdS/CFT-korrespondensen, eller från matristeori.

En egenskap hos gravitoner i strängteori är att de, som slutna strängar utan ändpunkter, inte skulle vara bundna till branes och skulle kunna röra sig fritt mellan dem. Om vi lever på ett brane (vilket är hypotesen i brane-teorier) skulle detta ”läckage” av gravitoner från branen till högre dimensionella rum kunna förklara varför gravitation är en så svag kraft, och gravitoner från andra branes som gränsar till vår egen skulle kunna ge en potentiell förklaring till mörk materia. Om gravitoner skulle röra sig helt fritt mellan branes skulle detta dock späda ut gravitationen för mycket, vilket skulle leda till ett brott mot Newtons lag om invers kvadrat. För att motverka detta fann Lisa Randall att en trebrane (som vår) skulle ha en egen gravitationell dragningskraft som skulle hindra gravitoner från att driva fritt, vilket möjligen skulle resultera i den utspädda gravitation som vi observerar, samtidigt som Newtons omvänt kvadratiska lag skulle bibehållas i stort sett. Se brane-kosmologi.

En teori av Ahmed Farag Ali och Saurya Das lägger till kvantmekaniska korrigeringar (med hjälp av Bohm-banor) till generella relativistiska geodeser. Om gravitoner ges en liten men icke-noll massa skulle det kunna förklara den kosmologiska konstanten utan behov av mörk energi och lösa problemet med litenhet. Teorin fick ett hedersomnämnande i 2014 års uppsatstävling av Gravity Research Foundation för att förklara den kosmologiska konstantens litenhet. Teorin fick också ett hedersomnämnande i 2015 års uppsatstävling av Gravity Research Foundation för att på ett naturligt sätt förklara den observerade storskaliga homogeniteten och isotropin i universum på grund av de föreslagna kvantkorrigeringarna.