Graviton - Graviton

Nas teorias da gravidade quântica , o gráviton é o quantum hipotético da gravidade , uma partícula elementar que medeia a força da interação gravitacional. Não existe uma teoria quântica de campo completa dos grávitons devido a um problema matemático pendente com a renormalização na relatividade geral . Na teoria das cordas , que se acredita ser uma teoria consistente da gravidade quântica, o gráviton é um estado sem massa de uma corda fundamental.

Se existir, espera-se que o gráviton não tenha massa porque a força gravitacional tem um alcance muito longo e parece se propagar à velocidade da luz. O gravitão deve ser uma rotação -2 Higgs , porque a fonte de gravitação é o tensor de energia-momento , uma de segunda ordem tensor (em comparação com o electromagnetismo de spin-1 de fotões , a fonte da qual é a quatro-corrente , um primeiro- tensor de ordem). Além disso, pode ser mostrado que qualquer campo sem massa de spin 2 daria origem a uma força indistinguível da gravitação, porque um campo sem massa de spin 2 se acoplaria ao tensor tensão-energia da mesma forma que as interações gravitacionais. Esse resultado sugere que, se uma partícula sem massa de spin 2 for descoberta, deve ser o gráviton.

Teoria

A hipótese é que as interações gravitacionais são mediadas por uma partícula elementar ainda não descoberta, chamada de gráviton . Os outros três conhecidas forças de natureza são mediados por partículas elementares: electromagnetismo pelo fotões , a forte interacção por glúons , e a interacção fraca pelas W e Z bosões . Todas essas três forças parecem ser descritas com precisão pelo Modelo Padrão da física de partículas. No limite clássico , uma teoria bem-sucedida dos grávitons se reduziria à relatividade geral , que se reduz à lei da gravitação de Newton no limite do campo fraco.

História

O termo gráviton foi originalmente cunhado em 1934 pelos físicos soviéticos Dmitrii Blokhintsev e FM Gal'perin. Uma mediação da interação gravitacional por partículas foi antecipada por Pierre-Simon Laplace . Assim como a antecipação dos fótons por Newton , os "grávitons" previstos de Laplace tinham uma velocidade maior do que c , a velocidade dos grávitons esperada nas teorias modernas, e evidentemente não estavam conectados à mecânica quântica .

Gravitons e renormalização

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

Comparação com outras forças

Como os portadores de força das outras forças (ver fóton , glúon ), 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 o resultado dessa forma, uma ideia que à primeira vista pode parecer difícil de combinar com a ideia de uma força agindo entre as partículas. Como a invariância do difeomorfismo da teoria não permite que nenhum pano de fundo espaço-tempo particular seja destacado como o pano de fundo espaço-tempo "verdadeiro", diz-se que a relatividade geral é independente do pano de fundo . Em contraste, o modelo padrão não é independente do plano de fundo, com o espaço de Minkowski desfrutando de um status especial como o espaço-tempo de plano de fundo fixo. Uma teoria da gravidade quântica é necessária para reconciliar essas diferenças. Se essa teoria deve ser independente dos antecedentes, é uma questão em aberto. A resposta a esta pergunta determinará nossa compreensão do papel específico que a gravitação desempenha no destino do universo.

Gravitons em teorias especulativas

A teoria das cordas prevê a existência de grávitons e suas interações bem definidas . Um gráviton na teoria perturbativa das cordas é uma corda fechada em um estado vibracional de baixa energia muito particular. O espalhamento de grávitons na teoria das cordas também pode ser calculado a partir das funções de correlação na teoria de campo conforme ditado pela correspondência AdS / CFT ou pela teoria das matrizes .

Uma característica dos grávitons na teoria das cordas é que, como cordas fechadas sem pontos finais, eles não estariam ligados às branas e poderiam se mover livremente entre elas. Se vivemos em uma brana (como hipotetizado pelas teorias de brana ), esse "vazamento" de grávitons da brana para o espaço de dimensão superior poderia explicar por que a gravitação é uma força tão fraca, e grávitons de outras branas adjacentes à nossa poderiam fornecer um explicação potencial para a matéria escura . No entanto, se os grávitons se movessem completamente livremente entre as branas, isso diluiria demais a gravidade, causando uma violação da lei do inverso do quadrado de Newton. Para combater isso, Lisa Randall descobriu que uma três-brana (como a nossa) teria uma atração gravitacional própria, impedindo que os grávitons derivassem livremente, possivelmente resultando na gravidade diluída que observamos, enquanto mantinha aproximadamente a lei do inverso do quadrado de Newton. Veja cosmologia de brana .

Uma teoria de Ahmed Farag Ali e Saurya Das adiciona correções da mecânica quântica (usando as trajetórias de Bohm) às geodésicas relativísticas gerais. Se os grávitons receberem uma massa pequena, mas diferente de zero, isso poderia explicar a constante cosmológica sem a necessidade de energia escura e resolver o problema da pequenez . A teoria recebeu uma Menção Honrosa no Concurso de Ensaios 2014 da Gravity Research Foundation por explicar a pequenez da constante cosmológica. A teoria também recebeu uma Menção Honrosa no Concurso de Ensaio 2015 da Gravity Research Foundation por explicar naturalmente a homogeneidade e isotropia em grande escala observada do universo devido às correções quânticas propostas.

Energia e comprimento de onda

Embora se presuma que os grávitons não tenham massa , eles ainda carregariam energia , como qualquer outra partícula quântica. A energia do fóton e a energia do glúon também são transportadas por partículas sem massa. Não está claro quais variáveis ​​podem determinar a energia do gráviton, a quantidade de energia carregada por um único gráviton.

Alternativamente, se os grávitons forem massivos , a análise das ondas gravitacionais gerou um novo limite superior para a massa dos grávitons. O comprimento de onda Compton do gráviton é de pelo menos1,6 × 10 ¹⁶  m , ou cerca de 1,6 anos-luz , correspondendo a uma massa de gráviton de não mais que7,7 × 10 ⁻²³  eV / c ² . Essa relação entre comprimento de onda e massa-energia é calculada com a relação de Planck-Einstein , a mesma fórmula que relaciona o comprimento de onda eletromagnética à energia do fóton . No entanto, se os grávitons são os quanta das ondas gravitacionais, a relação entre o comprimento de onda e a energia da partícula correspondente é fundamentalmente diferente para os grávitons e para os fótons, uma vez que o comprimento de onda Compton do gráviton não é igual ao comprimento de onda da onda gravitacional. Em vez disso, o comprimento de onda Compton do gráviton no limite inferior é de cerca9 × 10 ⁹ vezes maior do que o comprimento de onda gravitacional para o evento GW170104 , que foi de ~ 1.700 km. O relatório não detalhou a origem desta proporção. É possível que os grávitons não sejam os quanta das ondas gravitacionais, ou que os dois fenômenos estejam relacionados de uma maneira diferente.

Observação experimental

A detecção inequívoca de grávitons 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 grávitons com a matéria. Por exemplo, um detector com a massa de Júpiter e 100% de eficiência, colocado em órbita próxima ao redor de uma estrela de nêutrons , deveria observar apenas um gráviton a cada 10 anos, mesmo nas condições mais favoráveis. Seria impossível discriminar esses eventos do fundo dos neutrinos , uma vez que as dimensões do escudo de neutrinos necessário garantiriam o colapso em um buraco negro .

As observações das colaborações LIGO e Virgo detectaram diretamente as ondas gravitacionais . Outros postularam que o espalhamento de gráviton produz ondas gravitacionais enquanto as interações das partículas geram estados coerentes . Embora esses experimentos não possam detectar grávitons individuais, eles podem fornecer informações sobre certas propriedades do gráviton. Por exemplo, se as ondas gravitacionais se propagarem mais lentamente do que c (a velocidade da luz no vácuo), isso implicaria que o gráviton tem massa (no entanto, as ondas gravitacionais devem se propagar mais lentamente do que c em uma região com densidade de massa diferente de zero se eles devem ser detectáveis). Observações recentes de ondas gravitacionais colocaram um limite superior de1,2 × 10 ⁻²²  eV / c ² na massa do gráviton. As observações astronômicas da cinemática das galáxias, especialmente o problema da rotação da galáxia e da dinâmica newtoniana modificada , podem apontar para grávitons com massa diferente de zero.

Dificuldades e questões pendentes

A maioria das teorias que contêm grávitons sofre de problemas graves. As tentativas de estender o Modelo Padrão ou outras teorias de campo quântico adicionando grávitons encontram sérias dificuldades teóricas em energias próximas ou acima da escala de Planck . Isso se deve ao infinito que surge devido aos efeitos quânticos; tecnicamente, a gravitação não é renormalizável . Visto que a relatividade geral clássica e a mecânica quântica parecem ser incompatíveis com tais energias, do ponto de vista teórico, esta situação não é sustentável. Uma solução possível é substituir as partículas por cordas . As teorias das cordas são teorias quânticas da gravidade no sentido de que se reduzem à relatividade geral clássica mais a teoria de campo em baixas energias, mas são totalmente mecânicas quânticas, contêm um gráviton e são consideradas matematicamente consistentes.

Veja também

Referências

links externos

• Graviton em In Our Time na BBC