Graviton

Nas teorias da gravidade quântica, o graviton é o quantum hipotético de gravidade, uma partícula elementar que medeia a força da interação gravitacional. Não existe uma teoria quântica completa dos gravitons devido a um excelente problema matemático com a renormalização na relatividade geral. Na teoria das cordas, acreditada por alguns como uma teoria consistente da gravidade quântica, o graviton é um estado sem massa de uma corda fundamental.

Se existir, espera -se que o graviton não tenha massa porque a força gravitacional tem um alcance muito longo e parece se propagar na velocidade da luz. O graviton deve ser um bóson de spin-2, porque a fonte de gravitação é o tensor de tensão-energia, um tensor de segunda ordem (em comparação com o fóton spin-1 de eletromagnetismo, cuja fonte é a quatro corrente, a a, a#39; tensor de primeira ordem). Além disso, pode-se mostrar que qualquer campo de spin-2 sem massa daria origem a uma força indistinguível da gravitação, porque um campo de spin-2 sem massa se aconchegaria ao tensor de energia-energia da mesma maneira que as interações gravitacionais. Este resultado sugere que, se uma partícula spin-2 sem massa for descoberta, deve ser o graviton.

teoria

Supõe -se que as interações gravitacionais sejam mediadas por uma partícula elementar ainda não descoberta, apelidada de graviton . As três outras forças conhecidas da natureza são mediadas por partículas elementares: eletromagnetismo pelo fóton, a forte interação pelos glúons e a fraca interação pelos bósons W e Z. Todas essas três forças parecem ser descritas com precisão pelo modelo padrão de física de partículas. No limite clássico, uma teoria bem-sucedida dos gravitons reduziria a relatividade geral, que se reduz à lei de gravitação de Newton no limite de campo fraco.

HISTÓRIA

O termo graviton foi originalmente cunhado em 1934 pelos físicos soviéticos dmitrii blokhintsev [ru; de] e f.m. Gal ' Perin. Uma mediação da interação gravitacional por partículas foi prevista por Pierre-Simon Laplace. Assim como a antecipação de fótons de Newton, o previsto de LaPlace, gravitons; Tinha uma velocidade maior que C, a velocidade dos gravitons esperados nas teorias modernas e não estava conectada à mecânica quântica ou à relatividade especial, uma vez que essas teorias não existiam ainda durante a vida útil de LaPlace.

gravitons e renormalização

Ao descrever as interações graviton, a teoria clássica dos diagramas de Feynman e as correções semiclássicas, como os diagramas de um monte, se comportam normalmente. No entanto, os diagramas de Feynman com pelo menos dois loops levam a divergências ultravioletas. Esses resultados infinitos não podem ser removidos porque a relatividade geral quantizada não é perturbativamente renormalizável, diferentemente da eletrodinâmica quântica e modelos como a teoria de Yang -Mils. Portanto, respostas incalculáveis são encontradas a partir do método de perturbação pelo qual os físicos calculam a probabilidade de uma partícula para emitir ou absorver gravitons, e a teoria perde veracidade preditiva. Esses problemas e a estrutura de aproximação complementar são motivos para mostrar que é necessária uma teoria mais unificada do que a relatividade geral quantizada para descrever o comportamento próximo à escala de Planck.

Comparação com outras forças

Como os transportadores de força das outras forças (ver fóton, Gluon), a gravitação desempenha um papel na relatividade geral, na definição do espaço -tempo em que os eventos ocorrem. Em algumas descrições, a energia modifica a forma " do próprio espaço -tempo, e a gravidade é resultado dessa forma, uma idéia que à primeira vista pode parecer difícil de combinar com a idéia de uma força que atua entre partículas. Porque a invariância do diffeomorfismo da teoria não permite que nenhum histórico de espaço-tempo específico seja destacado como o "true"; Antecedentes espaciais, diz-se que a relatividade geral é independente de fundo. Por outro lado, o modelo padrão não é independente de fundo, com o espaço Minkowski desfrutando de um status especial como espaço de fundo fixo. É necessária uma teoria da gravidade quântica para conciliar essas diferenças. Se essa teoria deve ser independente de fundo é uma questão em aberto. A resposta a esta pergunta determinará nossa compreensão de qual papel específico a gravitação desempenha no destino do universo.

gravitons em teorias especulativas

A teoria das cordas prevê a existência de gravitons e suas interações bem definidas. Um graviton na teoria das cordas perturbador é uma corda fechada em um estado vibracional de baixa energia muito particular. A dispersão dos gravitons na teoria das cordas também pode ser calculada a partir das funções de correlação na teoria do campo conforme, conforme ditado pela correspondência de ADS/CFT, ou da teoria da matriz.

Uma característica dos gravitons na teoria das cordas é que, como cordas fechadas sem pontos de extremidade, eles não estariam vinculados a Branes e poderiam se mover livremente entre eles. Se vivemos em um brane (como hipotetizado por teorias de Brane), este " vazamento " de gravitons do Brane para o espaço superior dimensional poderia explicar por que a gravitação é uma força tão fraca, e gravitons de outros branes adjacentes aos nossos poderiam fornecer uma explicação potencial para a matéria escura. No entanto, se os gravitons se movessem completamente livremente entre os Branes, isso diluiria demais a gravidade, causando uma violação da lei inversa do quadrado de Newton. Para combater isso, Lisa Randall descobriu que um braço de três (como o nosso) teria uma atração gravitacional própria, impedindo que os gravitons se afastem livremente, possivelmente resultando na gravidade diluída que observamos, mantendo aproximadamente o Inverse de Newton; Lei quadrada. Veja Cosmologia Brane.

Uma teoria de Ahmed Farag Ali e Saurya Das acrescenta correções mecânicas quânticas (usando trajetórias BOHM) à geodésica relativística geral. Se os gravitões receberem uma massa pequena, mas diferente de zero, poderá explicar a constante cosmológica sem a necessidade de energia escura e resolver o problema da pequena elogios. A teoria recebeu uma menção honrosa na competição de redação de 2014 da Fundação de Pesquisa de Gravidade para Explicando a pequenez da constante cosmológica. A teoria também recebeu uma menção honrosa na competição de redação de 2015 da Fundação de Pesquisa de Gravidade para explicar naturalmente a homogeneidade e isotropia observada em larga escala devido às correções quânticas propostas.

Energia e comprimento de onda

Presume -se que

Presume -se que os gravitons não tenham energia, eles ainda carregam energia, assim como qualquer outra partícula quântica. A energia de fótons e a energia da gluon também são transportados por partículas sem massa. Não está claro quais variáveis podem determinar a energia graviton, a quantidade de energia transportada por um único graviton.

Como alternativa, se os gravitons forem enormes, a análise de ondas gravitacionais produziu um novo limite superior na massa de gravitons. O comprimento de onda Compton de graviton é pelo menos 1.6 × 10 16 m ou cerca de 1,6 anos-luz, correspondendo a uma massa graviton de não mais que 7.7 × 10 −23 ev/c 2 . Essa relação entre o comprimento de onda e a energia de massa é calculada com a relação Planck-Einstein, a mesma fórmula que relaciona o comprimento de onda eletromagnético à energia de fótons. No entanto, se os gravitons são o quanta das ondas gravitacionais, a relação entre comprimento de onda e energia de partícula correspondente é fundamentalmente diferente para os gravitons do que para fótons, uma vez que o comprimento de onda do graviton não é igual ao comprimento de onda da onda gravitacional. Em vez disso, o comprimento de onda do graviton Compton com o limite inferior está em torno de 9 × 10 9 tempos maiores que o comprimento de onda gravitacional para o evento GW170104, que foi de ~ 1.700 km. O relatório não elaborou a fonte dessa proporção. É possível que os gravitons não sejam o quanta das ondas gravitacionais, ou que os dois fenômenos estejam relacionados de uma maneira diferente.

Observação experimental

A detecção inequívoca de gravitons individuais, embora não seja proibida por nenhuma lei fundamental, é impossível com qualquer detector fisicamente razoável. O motivo é a seção transversal extremamente baixa para a interação dos gravitons com a matéria. Por exemplo, um detector com massa de Júpiter e 100% de eficiência, colocado em órbita fechada em torno de uma estrela de nêutrons, só deveria observar um graviton a cada 10 anos, mesmo nas condições mais favoráveis. Seria impossível discriminar esses eventos do pano de fundo dos neutrinos, uma vez que as dimensões do escudo de neutrinos necessárias garantiriam o colapso em um buraco negro.

Colaborações de Ligo e Virgem ' As observações detectaram diretamente ondas gravitacionais. Outros postularam que a dispersão de graviton produz ondas gravitacionais, pois as interações de partículas produzem estados coerentes. Embora esses experimentos não possam detectar gravitons individuais, eles podem fornecer informações sobre certas propriedades do graviton. Por exemplo, se as ondas gravitacionais foram observadas para se propagar mais lentamente que c (a velocidade da luz no vácuo), isso implicaria que o graviton tem massa (no entanto, ondas gravitacionais devem se propagar em uma região com densidade de massa diferente de zero, para que sejam detectáveis). Observações recentes de ondas gravitacionais colocaram um limite superior de 1.2 × 10 −22 ev/ c 2 no graviton ' s massa. As observações astronômicas da cinemática das galáxias, especialmente o problema de rotação da galáxia e a dinâmica newtoniana modificada, pode apontar para a gravitões com massa diferente de zero.

Dificuldades e questões excelentes

A maioria das teorias contendo gravitons sofre de problemas graves. Tentativas de estender o modelo padrão ou outras teorias do campo quântico, adicionando gravitons, com sérias dificuldades teóricas em energias próximas ou acima da escala de Planck. Isso ocorre por infinitos que surgem devido a efeitos quânticos; Tecnicamente, a gravitação não é renormalizável. Como a relatividade geral clássica e a mecânica quântica parecem ser incompatíveis em tais energias, do ponto de vista teórico, essa situação não é sustentável. Uma solução possível é substituir partículas por cordas. As teorias das cordas são teorias quânticas da gravidade no sentido de que reduzem à relatividade geral clássica mais a teoria do campo com baixas energias, mas são mecânicas totalmente quânticas, contêm um graviton e se pensa ser matematicamente consistente.