Гравитон

Предполагаемый спин гравитона равен ${\displaystyle 2}$ по той причине, что плоская гравитационная волна носит квадрупольный характер, переходя сама в себя при повороте на 180° вокруг оси, параллельной направлению распространения. Также это следует из числа независимых компонент волновых функций гравитационного поля, которые являются гравитационными потенциалами. Из десяти компонент тензора гравитационного потенциала вследствие равенства нулю следа и четырёх дополнительных условий калибровки (аналогичных калибровке Лоренца в электродинамике) остаётся ${\displaystyle n=5}$ независимых компонент. Вследствие формулы ${\displaystyle n=(2s+1)}$^[11], связывающей значение спина ${\displaystyle s}$ с числом компонент волновых функций поля ${\displaystyle n}$, получаем значение спина гравитона ${\displaystyle s=2}$^[12].

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи РУВИКИ)

С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности сил гравитации и инерции является следствием требования Лоренц-инвариантности для гравитонов (безмассовых частиц со спином ${\displaystyle 2}$), так как требование Лоренц-инвариантности приводит к калибровочной инвариантности теории, а принцип общей ковариантности, являющийся обобщением принципа калибровочной инвариантности, есть математическое выражение принципа эквивалентности^[13][14][15].

Попытки расширить Стандартную модель гравитонами сталкиваются с серьёзными теоретическими сложностями в области высоких энергий (равных или превышающих планковскую энергию) из-за расходимостей квантовых эффектов (гравитация не ренормализуется). Другой проблемой является то, что при математическом описании полей, описывающих элементарные частицы с целым спином, положительно определённую плотность энергии можно ввести только для частиц со спином ${\displaystyle 0}$ и ${\displaystyle 1}$, а гравитон имеет спин ${\displaystyle 2}$^[16].

Решение этих вопросов было мотивом построения нескольких предложенных теорий квантовой гравитации (в частности, одной из попыток является теория струн). Несмотря на отсутствие в настоящее время полноценной теории квантовой гравитации, возможно квантование слабых возмущений заданного гравитационного поля в первом порядке по теории возмущений. В рамках такой линеаризованной теории элементарным возбуждением и является гравитон^[17].

В теориях супергравитации также вводится гравитино (спин — ³/₂) — суперпартнёр гравитона.

В струнной теории гравитоны, также как и другие частицы — это состояния струн, а не точечные частицы, и в этом случае бесконечности не появляются. В то же время при низких энергиях эти возбуждения можно рассматривать как точечные частицы. То есть гравитон, как и прочие элементарные частицы — это некоторое приближение к реальности, которое можно использовать в области низких энергий.

Согласно теории петлевой квантовой гравитации, гравитоны представляют собой кванты смещений пространства-времени^[18].

Гравитоны также обычно вводятся в квантовых версиях альтернативных теорий гравитации. В некоторых из них гравитон обладает массой^[19].

Считается, что плотность энергии реликтовых гравитонов, образовавшихся в первые ${\displaystyle 10^{-43}}$ секунд после Большого Взрыва, в настоящее время составляет примерно ${\displaystyle 2-10\%}$ от плотности энергии реликтовых фотонов^[20].

По аналогии с квантовой электродинамикой вычислены вероятности испускания гравитонов при распаде^[21], рассеянии элементарных частиц^[22], аннигиляции электронно-позитронных пар^[23], при эффекте Комптона^[24], при столкновениях адронов высоких энергий^[25].

Смещение перигелия Меркурия, с точки зрения представления о гравитоне, объясняется вкладом в гравитационное взаимодействие Меркурия и Солнца процессов, описываемых на языке диаграмм Фейнмана диаграммами с взаимодействием виртуальных гравитонов между собой^[26].

Антигравитон имеет спин 1^[2].

Из-за чрезвычайной слабости гравитационных взаимодействий экспериментальное подтверждение существования гравитона (то есть обнаружение отдельных свободно распространяющихся гравитонов) согласно предсказывающим существование гравитонов теориям (теория струн, квантованная линеаризованная общая теория относительности и др.) в настоящее время не представляется возможным, поскольку образование реальных гравитонов станет заметным лишь при энергиях взаимодействия в системе центра масс сталкивающихся частиц порядка планковской энергии^[27][28][8].

Тем не менее, если теории девятимерного пространства со скрытыми размерностями окажутся правильными, то ожидается, что гравитоны можно будет обнаружить по энергии, которую они уносят после образования в процессах столкновения элементарных частиц при энергиях 100 ТэВ^[29].

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO было объявлено о первом прямом наблюдении гравитационных волн^[30]. По данным этой регистрации гравитационных волн, их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном (верхнее ограничение на массу гравитона m_g было оценено как 1,2 × 10⁻²² эВ/c², комптоновская длина волны гравитона λ_g = h/cm_g не ниже 10¹³ км)^[31][32][33], а скорость гравитационных волн равна скорости света в пределах точности измерений.

Существует также более жёсткая, но и более модельно зависимая оценка верхнего предела на массу гравитона m_g < 2 × 10⁻⁶² г (или 1,1 × 10⁻²⁹ эВ/c²)^[3]. Она вытекает из наблюдаемой протяжённости гравитационных полей галактических скоплений в пространстве и основана на том, что при наличии массы у бозона-переносчика поля потенциал взаимодействия убывает с расстоянием не по закону r⁻¹ (как в случае безмассовых полей), а значительно быстрее, пропорционально r⁻¹ exp(−rm_gc/h) (потенциал Юкавы).

Из наблюдений GW170817 получена оценка нижней границы времени жизни гравитона — 4,5 × 10⁸ лет^[4].

Тема управления гравитацией часто используется в качестве фантастического допущения в научной фантастике (в частности, как технология, делающая доступными космические путешествия), иногда при этом упоминаются и гравитоны^[34]. Так, в космической опере «Гриада» А. Колпакова, написанной в начале 1960-х годов, звездолёт «Урания» снабжён гравитонным двигателем^[35].

В культовом фантастическом телесериале «Звёздный путь» зведолёты снабжены технологиями на основе гравитонов^[36], такими, как искусственная гравитация, навигационный дефлектор, низкоуровневые силовые поля и т. д. При этом, как отметил Лоуренс Краусс, при описании таких технологий, как «эмиссия когерентных гравитонов», применяемая для искривления пространства, авторы по крайней мере используют адекватную с точки зрения современной физики терминологию^[37].

В качестве элемента антуража гравитоны встречаются и в других фантастических произведениях, к примеру, в фильме «После нашей эры» во время полёта на Землю в корпусе звездолёта возникает вибрация гравитонов, что вызывает расширение масс, и, в свою очередь, притягивает астероидный поток^[38].

Название «Гравитон» носила главная профессиональная премия Болгарии в области фантастической литературы и искусства, вручавшаяся с 1991 по 2005 год^[39].