Grawiton to hipotetyczna
cząstka elementarna
, która nie posiada
masy
, ani
ładunku elektrycznego
i przenosi
oddziaływanie grawitacyjne
. Teoria grawitonu jest podstawą różnych
kwantowych teorii grawitacji
, będących wersją
kwantowej teorii pola
, ale nie
Modelu Standardowego
.
Własności
Grawiton jest
bozonem
. Ma
spin
równy 2, co oznacza, że jest opisywany
tensorem
drugiego rzędu (
macierzą
). Tensor drugiego rzędu ma w
przestrzeni czterowymiarowej
16 składowych, jednak macierz grawitonu jest symetryczna, stąd pozostaje niezależnych 10 składowych. Gdyby grawiton był masywny, to jego macierz miałaby 5
stanów własnych
. Jednak jest bezmasowy, stąd ma tylko 2 stany własne, analogiczne do stanów polaryzacyjnych światła. O ile jednak światło składa się z
fotonów
o spinie 1 i jego standardowe stany polaryzacyjne (pionowy i poziomy) przechodzą w siebie po obrocie o 90°, to polaryzację grawitonu wystarczy obrócić o 45°. Polaryzacje te oznacza się symbolami "+" i "x".
Grawiton jest
kwantem
pola grawitacyjnego
. W teorii względności pole to jest tożsame z
tensorem metrycznym
, można więc interpretować grawiton jako "zmarszczkę" czasoprzestrzeni. W
Teorii grawitacji kwantowej
grawiton jest
bozonem cechowania
, co oznacza, że oddziaływanie grawitacyjne polega na wymianie
wirtualnych
grawitonów. Grawitony mogą oddziaływać same ze sobą, stąd równania grawitacji są nieliniowe.
Grawiton jest identyczny ze swoją
antycząstką
(podobnie jak np.
foton
), czyli jest
cząstką Majorany
.
Zgodnie z teorią
supersymetrii
grawiton powinien posiadać partnera o spinie 1½. Cząstka ta jest
fermionem
i nosi nazwę grawitino.
Ze standardowej
Teorii względności
wynika, że grawiton ma masę 0. Istnieją jednak proste rozszerzenia tej teorii, gdzie obok grawitonów bezmasowych istnieją także masywne.
Według obecnej wiedzy, wykrycie pojedynczych grawitonów jest w praktyce niemożliwe. Jest tak, ponieważ grawitacja jest bardzo słabym oddziaływaniem. Obserwacja zderzenia grawitonu z inną cząstką wymagałaby zgromadzenia takiej ilości materii i tak długiej obserwacji, że ludzka cywilizacja może nigdy tego nie osiągnąć. Można jednak rejestrować
fale grawitacyjne
, które można rozumieć jako
superpozycję
ogromnej ilości "pojedynczych" cząstek.
Grawiton oznacza się symbolem g.
Zjawiska z udziałem grawitonów
Grawitacja
Grawitacja jest najsłabszym ze
znanych oddziaływań
.
Ładunek
grawitacyjny (czyli
masa
) jest dodatni dla każdej znanej formy
materii
. Istnieją rozwiązania
teorii względności
(np. opisujące
tunele czasoprzestrzenne
), z których wynika masa ujemna, jednak nie jest pewne, czy są one fizycznie możliwe.
Cząstki wirtualne
mogą mieć masę ujemną, jednak nie są to cząstki fizyczne, a jedynie obiekty matematyczne. Ujemną masę mają cząstki wirtualne, które powodują przyciąganie obiektów, dodatnią te, które powodują odpychanie.
Grawitony mogą oddziaływać same ze sobą również za pomocą grawitonów. Grawitony "drugiego rzędu" również oddziałują ze sobą i tak w nieskończoność. Ten fakt powoduje, że
równania ogólnej teorii względności
są
nieliniowe
. Nie da się także obliczyć siły grawitacji przy pomocy
rachunku zaburzeń
, gdyż wymagałoby to np. istnienia makroskopowej funkcji falowej. Jest to przyczyną, dla której nie udało się dotąd stworzyć
kwantowej teorii grawitacji
.
Fale grawitacyjne
Fale grawitacyjne, których nośnikami byłyby bozony, mogłyby być interpretowane jako spójny stan (
kondensat Bosego-Einsteina
) grawitonów, tak jak
fale elektromagnetyczne
jako spójny stan
fotonów
. Projekty mające na celu doświadczalne odkrycie fal grawitacyjnych, takie jak
LIGO
i VIRGO, zostały rozpoczęte w XXI wieku.
Fala grawitacyjna, tak jak sama grawitacja, jest odkształceniem
czasoprzestrzeni
i w myśl współczesnych teorii nie istnieje żaden materiał ani proces, który mógłby ekranować zmiany potencjału grawitacyjnego źródła. Z tego powodu fale grawitacyjne są obiecującym obiektem badania początkowych etapów Wszechświata, podobnie jak mikrofalowe promieniowanie tła. Promieniowanie mikrofalowe niesie informację o Wszechświecie w wieku ok. 300000 lat; wcześniej materia była zbyt gęsta i fale elektromagnetyczne ulegały rozproszeniu. Fale grawitacyjne nie mają tego ograniczenia i mogą nieść informację o wcześniejszych czasach.
Według jednej z hipotez każdy
ruch przyspieszony
dowolnego
ciała
powoduje
emisję
grawitonów. Efekt ten jednak nie jest zauważalny na co dzień ze względu zbyt małą siłę lub tempo jego zachodzenia - może się okazać, że emisja jednego grawitonu zachodzi w skali czasu przekraczającej wielokrotnie czas istnienia Wszechświata [1]. Istnienie fal grawitacyjnych można potwierdzić dopiero, gdy zaobserwuje się ruch w wystarczająco silnym potencjale grawitacyjnym, np. w przypadku dwóch blisko okrążających się
gwiazd neutronowych
. Obserwuje się wtedy zmniejszanie
okresu
obiegu ciał, powodowane emisją grawitonów. Zjawisko nie ma wyjaśnienia w
fizyce klasycznej
(część energii jest zabierana przez grawitony). Efekt taki zaobserwowano w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku w układzie podwójnym
pulsarów
, nazywanym Marzeniem Einsteina.
Pomiary fal grawitacyjnych polegają na pomiarze zmian odległości punktów detektora. Przykładem jest eksperyment, w którym trzy laboratoria są umiejscowione w wierzchołkach prostokątnego trójkąta równoramiennego i oddalone o kilka kilometrów, żeby fala grawitacyjna spowodowała mierzalne odchylenie. Do pomiaru odległości między laboratoriami stosuje się wiązkę laserową. Zmiany odległości między laboratoriami mogą być interpretowane jako pomiar amplitudy fali grawitacyjnej, zaś różnice odległości byłyby rzędu ułamka nanometrów. Typowa fala grawitacyjna (pochodząca od pary krążących wokół siebie obiektów) spowoduje na Ziemi odkształcenie pływowe (skrócenie jednego boku trójkąta i wydłużenie drugiego). Taka fala jest najłatwiejsza do rejestracji, chociaż inne fale, zmniejszające lub powiększające całą Ziemię we wszystkich kierunkach, również są możliwe.
Grawiton a czarne dziury
Teorie opisujące grawitony nie tłumaczą oddziaływania grawitacyjnego dwóch
czarnych dziur
, które nie mogą emitować żadnych cząstek, w tym nośników oddziaływania, jeżeli pomijać potencjał grawitacyjny. Pełny opis tego zjawiska mogłaby dać
teoria kwantowej grawitacji
, której obecnie nie udało się stworzyć. Najpopularniejsza z nich przewiduje istnienie mechanizmu podobnego do
parowania czarnych dziur
, w taki sposób, że pary
wirtualnych
grawitonów miałyby się pojawiać poza
horyzontem zdarzeń
, a następnie jeden z nich wpadałby do jednej dziury, a drugi do drugiej. Taki proces w myśl teorii pól kwantowych wystarcza do zaistnienia oddziaływania grawitacyjnego.
Przypisy