Grawiton

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Grawiton – hipotetyczna cząstka elementarna, która nie ma 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[edytuj | edytuj kod]

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).

Zgodnie z teorią supersymetrii grawiton powinien mieć 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. Można jednak rejestrować fale grawitacyjne, które można rozumieć jako superpozycję ogromnej ilości "pojedynczych" cząstek.

Grawiton oznacza się symbolem g.

Zjawiska z udziałem grawitonów[edytuj | edytuj kod]

Grawitacja[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: 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 odpychanie obiektów, dodatnią te, które powodują przyciąganie.

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 względnościnieliniowe. 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[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: 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 w typowych sytuacjach ze względu zbyt małą energie emitowanego grawitonu. 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 PSR B1913+16, 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[edytuj | edytuj kod]

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