Как мог бы гравитон переносить гравитацию?

Гравитоны — это гипотетические частицы, которые в рамках квантовой теории поля могли бы переносить гравитационное взаимодействие, аналогично тому, как фотоны переносят электромагнитное взаимодействие. Однако, в отличие от других фундаментальных сил (электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий), гравитация до сих пор не описана в терминах квантовой теории. Вот как мог бы работать механизм переноса гравитации через гравитоны:

Аналогия с другими взаимодействиями

• Электромагнетизм: Заряженные частицы (например, электроны) взаимодействуют, обмениваясь фотонами (частицами света). Фотоны — это кванты электромагнитного поля, их обмен создаёт силы притяжения или отталкивания.
• Гравитация: Если бы гравитоны существовали, массивные тела (например, Земля и Луна) взаимодействовали бы, обмениваясь гравитонами. Это объясняло бы притяжение между массами на квантовом уровне.

Свойства гравитона

• Спин: Гравитон должен иметь спин 2 (в отличие от фотона со спином 1). Это связано с тем, что гравитация описывается тензором (метрикой пространства-времени в ОТО), а не вектором, как электромагнитное поле.
• Масса и заряд: Гравитон, как и фотон, должен быть безмассовым и нейтральным, чтобы обеспечить бесконечный радиус действия гравитации (по закону обратных квадратов).
• Взаимодействие: Гравитоны должны взаимодействовать со всеми формами энергии, включая массу (по формуле E=mc2E=mc2), свет и даже друг с другом (так как гравитация сама искривляет пространство-время).

Как гравитоны переносят силу?

• Обмен виртуальными гравитонами: Согласно квантовой теории поля, взаимодействие между двумя массами происходит через постоянный обмен виртуальными гравитонами — короткоживущими возбуждениями гравитационного поля.
  Например, Земля и Луна непрерывно «перебрасывают» виртуальные гравитоны, что создаёт силу притяжения между ними.
  Этот процесс аналогичен обмену фотонами между электронами, но требует учёта искривления пространства-времени.
• Притяжение, а не отталкивание: В электромагнетизме одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Но у гравитации нет «отрицательной массы», поэтому гравитоны всегда вызывают притяжение между массами. Это связано со свойствами их спина (спин 2 меняет знак силы на противоположный по сравнению с фотонами).

Пример: падение яблока

1. Яблоко и Земля обмениваются виртуальными гравитонами.
2. Каждый гравитон переносит порцию энергии-импульса, связанную с гравитационным взаимодействием.
3. Этот обмен искажает траекторию движения яблока, заставляя его падать в направлении Земли.

Проблемы теории гравитонов

• Неперенормируемость: Попытки описать гравитацию через квантовую теорию поля (как, например, в квантовой электродинамике) сталкиваются с математическими противоречиями. Расчёты приводят к бесконечностям, которые невозможно устранить стандартными методами.
• Конфликт с ОТО: Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как геометрию пространства-времени, а не как силу, переносимую частицами. Согласовать эти подходы пока не удаётся.
• Экспериментальные трудности: Гравитация чрезвычайно слаба. Чтобы обнаружить гравитон, нужны приборы, способные регистрировать энергию в 10301030 раз меньшую, чем у фотонов видимого света. Современные технологии этого не позволяют.

Гравитоны и другие теории

• Теория струн: Гравитон возникает как колебание замкнутой струны (в отличие от открытых струн, которые соответствуют другим частицам). Это позволяет объединить гравитацию с остальными силами.
• Петлевая квантовая гравитация: Гравитация квантуется через дискретные «ячейки» пространства-времени, но гравитоны в этой теории не являются фундаментальными объектами.
• Гравитационные волны: Хотя они предсказаны ОТО, их обнаружение (LIGO, 2015) не подтверждает напрямую существование гравитонов, но показывает, что гравитация распространяется волнами, что косвенно поддерживает идею квантования.

Почему это важно?

Объединение гравитации с квантовой механикой помогло бы объяснить:

• Поведение чёрных дыр (парадокс исчезновения информации, излучение Хокинга).
• Раннюю Вселенную (первые моменты после Большого взрыва).
• Природу тёмной материи и тёмной энергии.

Вывод

Гравитоны — это элегантная гипотеза, но пока лишь математическая конструкция. Их существование могло бы объяснить гравитацию на квантовом уровне, но для этого требуется теория, объединяющая ОТО и квантовую механику. Пока такой теории нет, гравитоны остаются «призрачными» переносчиками самой загадочной силы Вселенной.