În teoriile gravitației cuantice, gravitonul este particula elementară ipotetică ce mediază interacțiunea gravitațională. El reprezintă cuanta de energie a unei unde gravitaționale.

Nu există încă o teorie cuantică a câmpurilor completă a gravitonilor, din cauza problemei matematice nerezolvate a în relativitate generală. Această dificultate este evitată în teoria corzilor, unde gravitonul apare ca o stare a unei corzi fundamentale, însă teoria nu a ajuns încă la un nivel de dezvoltare suficient pentru a oferi o descriere confirmată experimental.

Dacă există, gravitonul este de așteptat să fie , deoarece interacțiunea gravitațională are rază foarte lungă de acțiune și pare să se propage cu viteza luminii. Gravitonul trebuie să fie un boson de spin 2, deoarece sursa gravitației este tensorul energie–impuls, un tensor de ordinul al doilea. Prin comparație, în electromagnetism fotonul are spin 1, iar sursa câmpului electromagnetic este , un tensor de ordinul întâi. În plus, se poate arăta că orice câmp fără masă de spin 2 ar genera o interacțiune indistinctă de gravitație, deoarece s-ar cupla la tensorul energie–impuls în același mod ca interacțiunea gravitațională. Acest rezultat sugerează că, dacă va fi descoperită o particulă fără masă de spin 2, ea trebuie să fie gravitonul.Pentru o comparație între derivarea geometrică și derivarea (negeometrică) a relativității generale dintr-un câmp de spin 2, a se vedea caseta 18.1 (și, de asemenea, 17.2.5) din

Teorie

Se presupune existența unei particule elementare încă nedescoperite, care mediază interacțiunile gravitaționale și care a fost numită graviton. Celelalte trei interacțiuni fundamentale cunoscute din natură sunt mediate de particule elementare: electromagnetismul de foton, interacțiunea tare de gluoni, iar interacțiunea slabă de . Toate aceste trei interacțiuni par să fie descrise cu mare precizie de Modelul Standard al fizicii particulelor elementare. În , o teorie reușită a gravitonilor ar trebui să se reducă la relativitate generală, care, la rândul ei, se reduce la legea atracției universale a lui Newton în limita câmpurilor slabe.

Istorie

Albert Einstein a discutat despre radiația gravitațională cuantificată în 1916, la un an după publicarea relativității generale. Termenul graviton a fost introdus în 1934 de fizicienii sovietici Dmitri Blohințev și . Paul Dirac a reintrodus termenul într-o serie de conferințe din 1959, observând că energia câmpului gravitațional ar trebui să apară în cuante.

Ideea unei interacțiuni gravitaționale mediate de particule a fost anticipată de Pierre-Simon Laplace. La fel ca anticiparea fotonului de către Newton, „gravitonii” imaginați de Laplace ar fi avut o viteză mai mare decât viteza luminii în vid, , spre deosebire de gravitonii din teoriile moderne. De asemenea, această idee nu era legată nici de mecanica cuantică, nici de relativitate restrânsă, teorii care aveau să apară abia aproximativ un secol mai târziu.

Gravitoni și renormalizare

Atunci când sunt descrise interacțiunile gravitonilor, teoria clasică a și corecțiile semiclasice, precum , se comportă normal. Totuși, diagramele Feynman cu cel puțin două bucle conduc la .

Aceste rezultate infinite nu pot fi eliminate, deoarece relativitatea generală cuantificată nu este , spre deosebire de electrodinamică cuantică și de modele precum . În consecință, metoda perturbativă prin care fizicienii calculează probabilitatea ca o particulă să emită sau să absoarbă gravitoni produce răspunsuri necontrolabile, iar teoria își pierde puterea predictivă. Aceste probleme, împreună cu limitele celorlalte scheme aproximative, constituie un argument în favoarea unei teorii mai generale decât relativitatea generală cuantificată, capabilă să descrie comportamentul fizic în apropierea scării Planck.

Energie și lungime de undă

Deși se presupune că gravitonii sunt , ei ar transporta totuși energie, asemenea oricărei alte particule cuantice. Și energia fotonilor sau a gluonilor este purtată de particule fără masă.

Alternativ, dacă gravitonii ar avea totuși masă, analiza undelor gravitaționale a furnizat o nouă limită superioară pentru masa gravitonului. a gravitonului este de cel puțin , adică aproximativ 1,6 ani-lumină, ceea ce corespunde unei mase a gravitonului de cel mult . Această relație între lungimea de undă și masa-energie se calculează cu ajutorul , aceeași formulă care leagă lungimea de undă electromagnetică de .

Observație experimentală

S-a considerat mult timp că detectarea fără echivoc a gravitonilor individuali, deși nu este interzisă de nicio lege fundamentală, ar fi imposibilă cu orice detector fizic rezonabil. Motivul este secțiunea eficace extrem de mică pentru interacțiunea gravitonilor cu materia. De exemplu, un detector cu masa lui Jupiter, având eficiență de 100% și plasat pe o orbită apropiată în jurul unei stele neutronice, ar fi de așteptat să observe doar un graviton la fiecare 10 ani, chiar și în condițiile cele mai favorabile. Ar fi imposibil de separat aceste evenimente de fondul de neutrini, deoarece dimensiunile ecranului necesar împotriva neutrinilor ar duce la colaps gravitațional într-o gaură neagră.

S-a propus însă că tehnicile de detecție cu senzori cuantici ar putea face posibilă observarea gravitonilor individuali. Chiar și observarea unor evenimente cuantice nu ar demonstra însă automat cuantificarea radiației gravitaționale.

Observațiile colaborărilor LIGO și Virgo au detectat în mod direct unde gravitaționale. Deși aceste experimente nu pot detecta gravitoni individuali, ele ar putea furniza informații despre unele proprietăți ale gravitonului. De exemplu, dacă s-ar observa că undele gravitaționale se propagă mai lent decât , viteza luminii în vid, aceasta ar implica faptul că gravitonul are masă. În plus, în prezența unei unde gravitaționale, ar trebui să fie posibilă observarea, prin interferență sau efecte de bătaie după o linie de întârziere, a unor semnături ale emisiei sau absorbției stimulate de gravitoni cu tehnologia actuală.

Observațiile undelor gravitaționale stabilesc o limită superioară de pentru masa gravitonului.

Măsurătorile traiectoriilor planetare din Sistemul Solar realizate de misiuni spațiale precum Cassini și MESSENGER oferă o limită superioară comparabilă, de . Limitele obținute din undele gravitaționale și cele obținute din efemeridele planetare nu trebuie neapărat să coincidă, deoarece ele testează aspecte diferite ale unei posibile teorii bazate pe gravitoni.

Observațiile astronomice ale cinematicii galaxiilor, în special și , ar putea sugera că gravitonii au masă nenulă.

Dificultăți și probleme deschise

Majoritatea teoriilor care includ gravitoni se confruntă cu dificultăți severe. Încercările de a extinde Modelul Standard sau alte teorii cuantice ale câmpurilor prin adăugarea gravitonilor întâmpină probleme teoretice serioase la energii apropiate de sau mai mari decât scara Planck. Apar infinități din cauza efectelor cuantice; tehnic vorbind, gravitația nu este renormalizabilă.

Deoarece relativitatea generală clasică și mecanica cuantică par incompatibile la astfel de energii, această situație nu este satisfăcătoare din punct de vedere teoretic. O posibilă soluție este înlocuirea particulelor punctiforme cu . Corzile sunt obiecte unidimensionale extinse, care evită divergențele prin „întinderea” interacțiunilor gravitaționale pe o scară finită. În teoria corzilor apare o particulă identificată cu gravitonul, iar interacțiunile ei la distanțe mari sunt descrise de relativitatea generală. Totuși, modelele bazate pe corzi au fost dezvoltate complet doar pentru un număr restrâns de regimuri slab cuplate.

Note

Categorie:Particule ipotetice Categorie:Bosoni Categorie:Gravitație cuantică