Гравитон — частица, статус которой с 2015 года может быть назван «сложным». И таким он останется, видимо, надолго. Ибо существование данной частицы предсказывают теории ещё толком не придуманные. Это — квант гравитационного поля, выполняющий при гравитационном взаимодействии тел ту же роль, что и фотон (гамма-квант) в случае взаимодействия электромагнитного.
Но, сначала, о «не придуманных теориях». В теориях актуальных, истинность которых ещё десятилетия назад была проверена и доказана экспериментально, — СТО и Квантовой Механике — гравитон не фигурирует. Не дружат эти теории и между собой, — так бывает: правильные, но между собой не дружат. Видят мир по-разному.
Как должно быть известно каждому из школьного курса, видов взаимодействий во вселенной существует четыре: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. И Теория Относительности видит ситуацию так: электромагнитное поле — поток частиц; сильное и слабое не рассматриваются, как не играющие роли в макромире; гравитация же — искривление пространства. Квантовая же Механика в классической форме видит ситуацию иначе: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия — потоки частиц, а гравитационное не рассматривается, как не имеющее в микромире значения. Таким образом, в случаях, когда при коллапсе звёзд гравитация начинает разрушать атомные ядра, получается полная ерунда: КМ не видит гравитацию, а СТО не видит ядра. Для некоторых явления не подходит описательный механизм ни одной из теорий.
Квантовая гравитация и гравитон — попытка объединения существующих теорий в «теорию всего». И — пока — это не удачная попытка. Все теории, объединяющие подходы СТО и КМ, включая старые представления, как частные случаи, в настоящий момент не имеют экспериментального подтверждения и проработаны недостаточно. Причём, это взаимосвязанные проблемы. Недостаточная проработка не позволяет сформулировать достаточно многочисленные внятные предсказания, которые можно было бы проверить.
Но, кстати, о гравитоне. Применяя для разных взаимодействий разные описательные механизмы — поток частиц и искривление пространства, — СТО достигает тактического успеха (пожертвовав одним из измерений, гравитационную яму можно представить визуально), но проигрывает стратегически. Ибо это представление — кривое. Очевидно, что объединяющая теория должна трактовать, как потоки частиц, все поля. В том числе и гравитационное. Ergo, потребовалась частица.
Откуда берутся частицы? Из «Стандартной модели» — периодической таблицы для случая микромира. Модель показывает, какие частицы могут, а какие не могут существовать. Однако, — тут проблему легко понять, — Стандартная Модель основана на Квантовой Механике. На гравитон изначально она рассчитана не была. Искать для него место пришлось на задворках, — фактически, в дополнительных строках, среди вариантов, которые не запрещены прямо, но сомнительны. Как следствие, предсказания СМ для данного случая оказались очень туманными… И это к вопросу, о «сложном статусе». Доказать существование гравитонов экспериментально сложно, так как свойства частицы могут отличаться от предсказанных.
Ну как «отличаться»? Известно, что гравитон обладает массой. Не массой покоя, — только полной массой, как фотон. С точки зрения ядерной физики — масса, энергия и импульс — одна и та же сущность. И раз уж гравитон переносит взаимодействия, — передаёт импульс, — он должен массой обладать. Должен он обладать и кое-какими другими свойствами, но суть этих свойств непонятна без специальной подготовки, а сами они сомнительны, так как непроверяемы экспериментально. И важна тут причина, по которой узнать свойства гравитона нельзя. Нет способа наблюдать гравитон, как наблюдаются прочие частицы.
Проблема в массе. Она у гравитона есть, но очень близка к нулю. И здесь нужно сосредоточиться. Фотон не имеет массы покоя, но всегда движется со скоростью света может обладать произвольно высокой энергией (полной массой). Гравитон тоже движется со скоростью света (нулевая масса покоя), но и энергия его при этом не слишком-то от массы покоя отличается. Она так мала, что длина волны (растёт с убыванием массы частицы) гравитона составляет около миллиона световых лет. Ни в какой ящик с котом его не засунешь.
Как следствие, гравитон нельзя зарегистрировать, определив его свойства. Частицы регистрируются по взаимодействиям друг с другом, но импульс гравитона не сможет измеримым образом искривить трек. Технически, на уровне микромира гравитация не действует. И по этой причине, кстати, микроскомические чёрные дыры совершенно безопасны.
…Тем не менее, в настоящий момент само существование гравитонов не вызывает сомнений. Предметом дискуссий остаются лишь свойства частицы, постепенно уточняемые астрофизическими наблюдениями. В частности, богатый материал был получен благодаря регистрации гравитационных волн, статья о которых ещё будет.
Пока же, стоит сказать о том, как гравитация работает. Можно ли, например, сказать, что чёрная дыра — «светит»? Можно. Именно благодаря этому по закону сохранения импульса происходит гравитационное сжатие. Но так ситуация выглядит в макромире. В микромире же, две любые частицы взаимодействуют подобно тому, как это делают разноимённые заряды. Наложение волновых функций взаимодействующих частиц создаёт условия для «реализации» — извлечения из конфигурационного пространства — двух квантов с заданными свойствами. Излучаясь каждой из частиц в направлении противоположном направлению на другую, гравитоны создают импульс, толкающий частицы на встречу… с силой недостаточной, чтобы это событие можно было заметить.
Важно в этой истории, что в гравитационных взаимодействиях масса (полная энергия) тел расходуется. Следствия этого интересны, но заслуживают отдельного рассмотрения. И — нет. Гравитоны не образуют «тёмную массу», так как суммарная масса их невелика, и она не накапливается. Это не стабильные частицы. Хотя время жизни гравитона и составляет больше 500 миллионов лет (и неизвестно насколько больше), гравитоны распадаются.
