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In Theorien der Quantengravitation ist das Graviton das hypothetische Quantum der Gravitation , ein Elementarteilchen , das die Schwerkraft vermittelt. Aufgrund eines herausragenden mathematischen Problems mit der Renormierung in der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es keine vollständige Quantenfeldtheorie der Gravitonen . In der Stringtheorie , von der angenommen wird, dass sie eine konsistente Theorie der Quantengravitation ist, ist das Graviton ein masseloser Zustand eines fundamentalen Strings.

Wenn es existiert, wird erwartet, dass das Graviton masselos ist, da die Gravitationskraft sehr weitreichend ist und sich mit Lichtgeschwindigkeit auszubreiten scheint. Die graviton a sein muss Spin -2 Bosonen , weil die Quelle der Gravitation ist die Tensor - Spannungs-Energie , eine zweite Ordnung Tensor (gegenüber Elektromagnetismus ‚s Spin-1 Photon , das Source ist der Vier-Stromein Tensor erster Ordnung). Zusätzlich kann gezeigt werden, dass jedes masselose Spin-2-Feld eine von der Gravitation nicht unterscheidbare Kraft hervorrufen würde, da ein masseloses Spin-2-Feld auf die gleiche Weise wie Gravitationswechselwirkungen an den Spannungs-Energie-Tensor koppeln würde. Dieses Ergebnis legt nahe, dass es sich bei der Entdeckung eines masselosen Spin-2-Partikels um das Graviton handeln muss. [5]

Theorie [ Bearbeiten ]

Es wird angenommen, dass Gravitationswechselwirkungen durch ein noch unentdecktes Elementarteilchen vermittelt werden, das als Graviton bezeichnet wird . Die drei anderen bekannten Naturkräfte werden durch Elementarteilchen vermittelt: Elektromagnetismus durch das Photon , starke Wechselwirkung durch Gluonen und schwache Wechselwirkung durch die W- und Z-Bosonen . Alle drei Kräfte scheinen durch das Standardmodell der Teilchenphysik genau beschrieben zu werden . In der klassischen Grenze würde sich eine erfolgreiche Gravitonentheorie auf die allgemeine Relativitätstheorie reduzieren, die sich selbst auf reduziertNewtons Gravitationsgesetz in der Schwachfeldgrenze. [6] [7] [8]

Der Begriff Graviton wurde ursprünglich 1934 von den sowjetischen Physikern Dmitrii Blokhintsev und FM Gal'perin geprägt. [3]

Gravitonen und Renormierung [ Bearbeiten ]

Bei der Beschreibung von Gravitonenwechselwirkungen verhalten sich die klassische Theorie der Feynman-Diagramme und semiklassische Korrekturen wie Ein-Schleifen-Diagramme normal. Jedoch Feynmandiagramme mit mindestens zwei Schleifen führen zu ultraviolettem Divergenzen . [ Zitieren erforderlich ] Diese unendlichen Ergebnisse können nicht entfernt werden, da die quantisierte allgemeine Relativitätstheorie im Gegensatz zur Quantenelektrodynamik und Modellen wie der Yang-Mills-Theorie nicht störend renormierbar ist. Daher werden unkalkulierbare Antworten aus der Störungsmethode gefunden, mit der Physiker die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass ein Teilchen Gravitonen emittiert oder absorbiert, und die Theorie verliert an Vorhersagewahrheit. Diese Probleme und das komplementäre Approximationsgerüst sind Gründe zu zeigen, dass eine Theorie erforderlich ist, die einheitlicher als die quantisierte allgemeine Relativitätstheorie ist, um das Verhalten in der Nähe der Planck-Skala zu beschreiben .

Vergleich mit anderen Kräften [ bearbeiten ]

Wie die Kraftträger der anderen Kräfte (siehe Photon , Gluon ) spielt die Gravitation eine Rolle in der allgemeinen Relativitätstheorie , indem sie die Raumzeit definiert, in der Ereignisse stattfinden. In einigen Beschreibungen modifiziert Energie die "Form" der Raumzeit selbst, und die Schwerkraft ist ein Ergebnis dieser Form, eine Idee, die auf den ersten Blick schwer mit der Idee einer zwischen Partikeln wirkenden Kraft zu vereinbaren scheint. [9] Da die Diffeomorphismus- Invarianz der Theorie nicht zulässt, dass ein bestimmter Raum-Zeit-Hintergrund als "wahrer" Raum-Zeit-Hintergrund herausgegriffen wird, wird die allgemeine Relativitätstheorie genanntHintergrundunabhängig . Im Gegensatz dazu ist das Standardmodell nicht hintergrundunabhängig, wobei der Minkowski-Raum einen besonderen Status als feste Hintergrundraumzeit hat. [10] Um diese Unterschiede in Einklang zu bringen, ist eine Theorie der Quantengravitation erforderlich. [11] Ob diese Theorie hintergrundunabhängig sein sollte, ist eine offene Frage. Die Antwort auf diese Frage wird unser Verständnis darüber bestimmen, welche spezifische Rolle die Gravitation im Schicksal des Universums spielt. [12]

Gravitonen in spekulativen Theorien [ Bearbeiten ]

Die Stringtheorie sagt die Existenz von Gravitonen und ihre genau definierten Wechselwirkungen voraus . Ein Graviton in der Theorie störender Strings ist ein geschlossener String in einem ganz bestimmten niederenergetischen Schwingungszustand. Die Streuung von Gravitonen in der Stringtheorie kann auch aus den Korrelationsfunktionen in der konformen Feldtheorie berechnet werden , wie dies durch die AdS / CFT- Korrespondenz vorgegeben ist , oder aus der Matrixtheorie . [ Zitat benötigt ]

Ein Merkmal von Gravitonen in der Stringtheorie ist, dass sie als geschlossene Strings ohne Endpunkte nicht an Branes gebunden sind und sich frei zwischen ihnen bewegen können. Wenn wir auf einer Brane leben (wie von Brane-Theorien angenommen ), könnte dieses "Austreten" von Gravitonen aus der Brane in den höherdimensionalen Raum erklären, warum die Gravitation eine so schwache Kraft ist, und Gravitonen aus anderen Branes neben unserer eigenen könnten eine liefern mögliche Erklärung für dunkle Materie . Wenn sich die Gravitonen jedoch völlig frei zwischen den Branen bewegen würden, würde dies die Schwerkraft zu stark verdünnen und eine Verletzung des Newtonschen Gesetzes des umgekehrten Quadrats verursachen. Um dies zu bekämpfen, Lisa Randallfanden heraus, dass eine Drei-Spur (wie unsere) eine eigene Anziehungskraft haben würde, die verhindert, dass Gravitonen frei driften, was möglicherweise zu der von uns beobachteten verdünnten Schwerkraft führt, während Newtons inverses Quadratgesetz grob beibehalten wird. [13] Siehe Brane-Kosmologie .

Eine Theorie von Ahmed Farag Ali und Saurya Das fügt der allgemeinen relativistischen Geodäten quantenmechanische Korrekturen (unter Verwendung von Böhm-Trajektorien) hinzu. Wenn Gravitonen eine kleine Masse erhalten, die jedoch nicht Null ist, könnte dies die kosmologische Konstante erklären, ohne dass dunkle Energie benötigt wird, und das Kleinheitsproblem lösen . [14] Die Theorie wurde im Aufsatzwettbewerb der Gravity Research Foundation 2014 zur Erklärung der Kleinheit der kosmologischen Konstante mit einer lobenden Erwähnung ausgezeichnet . [15] Auch die Theorie erhielt im Aufsatzwettbewerb 2015 der Gravity Research Foundation eine lobende Erwähnungzur natürlichen Erklärung der beobachteten großräumigen Homogenität und Isotropie des Universums aufgrund der vorgeschlagenen Quantenkorrekturen. [16]

Energie und Wellenlänge [ Bearbeiten ]

Während angenommen wird, dass Gravitonen masselos sind , würden sie wie jedes andere Quantenteilchen immer noch Energie transportieren . Photonenenergie und Gluonenenergie werden auch von masselosen Teilchen getragen. Es ist unklar, welche Variablen die Gravitonenergie bestimmen könnten, die Energiemenge, die von einem einzelnen Graviton getragen wird.

Wenn Gravitonen überhaupt massiv sind , ergab die Analyse der Gravitationswellen alternativ eine neue Obergrenze für die Masse der Gravitonen. Die Compton-Wellenlänge des Gravitons beträgt mindestens1,6 × 10 16  m oder etwa 1,6 Lichtjahre , entsprechend einer Gravitonenmasse von nicht mehr als7,7 × 10 –23  eV / c 2 . [17] Diese Beziehung zwischen Wellenlänge und Massenenergie wird mit der Planck-Einstein-Beziehung berechnet , der gleichen Formel, die die elektromagnetische Wellenlänge mit der Photonenenergie in Beziehung setzt . Wenn Gravitonen jedoch die Quanten von Gravitationswellen sind, unterscheidet sich die Beziehung zwischen Wellenlänge und entsprechender Teilchenenergie für Gravitonen grundlegend von der für Photonen, da die Compton-Wellenlänge des Gravitons nicht gleich der Wellenlänge der Gravitationswelle ist. Stattdessen ist die untere Grenze der Graviton-Compton-Wellenlänge ungefähr9 × 10 9- mal größer als die Gravitationswellenlänge für das GW170104- Ereignis, das ~ 1.700 km betrug. In dem Bericht [17] wurde die Quelle dieses Verhältnisses nicht näher erläutert. Es ist möglich, dass Gravitonen nicht die Quanten von Gravitationswellen sind oder dass die beiden Phänomene auf unterschiedliche Weise zusammenhängen.

Experimentelle Beobachtung [ Bearbeiten ]

Die eindeutige Erfassung einzelner Gravitonen ist mit keinem physikalisch vernünftigen Detektor möglich, obwohl dies durch kein Grundgesetz verboten ist. [18] Der Grund ist der extrem niedrige Querschnitt für die Wechselwirkung von Gravitonen mit Materie. Beispielsweise wird erwartet , dass ein Detektor mit der Masse des Jupiters und einem Wirkungsgrad von 100%, der sich in einer engen Umlaufbahn um einen Neutronenstern befindet , selbst unter den günstigsten Bedingungen alle 10 Jahre nur ein Graviton beobachtet. Es wäre unmöglich, diese Ereignisse vom Hintergrund der Neutrinos zu unterscheiden , da die Abmessungen des erforderlichen Neutrinoschildes einen Zusammenbruch in ein Schwarzes Loch sicherstellen würden . [18]

Die Beobachtungen der Kollaborationen von LIGO und Virgo haben Gravitationswellen direkt erfasst . [19] [20] [21] Andere haben postuliert, dass Gravitonenstreuung Gravitationswellen erzeugt, während Teilchenwechselwirkungen kohärente Zustände ergeben . [22] Obwohl diese Experimente keine einzelnen Gravitonen nachweisen können, können sie Informationen über bestimmte Eigenschaften des Gravitons liefern. [23] Wenn beispielsweise beobachtet würde, dass sich Gravitationswellen langsamer als c ausbreiten ( Lichtgeschwindigkeit im Vakuum), würde dies bedeuten, dass das Graviton Masse hat (Gravitationswellen müssen sich jedoch langsamer ausbreiten alsc in einem Bereich mit einer Massendichte ungleich Null, wenn sie nachweisbar sein sollen). [24] Jüngste Beobachtungen von Gravitationswellen haben eine Obergrenze von gesetzt1,2 × 10 –22  eV / c 2 auf die Masse des Gravitons. [19] Astronomische Beobachtungen der Kinematik von Galaxien, insbesondere des Galaxienrotationsproblems und der modifizierten Newtonschen Dynamik , könnten auf Gravitonen mit einer Masse ungleich Null hinweisen. [25] [26]

Schwierigkeiten und offene Fragen [ Bearbeiten ]

Die meisten Theorien, die Gravitonen enthalten, leiden unter schwerwiegenden Problemen. Versuche, das Standardmodell oder andere Quantenfeldtheorien durch Hinzufügen von Gravitonen zu erweitern, stoßen bei Energien nahe oder oberhalb der Planck-Skala auf ernsthafte theoretische Schwierigkeiten . Dies liegt an Unendlichkeiten, die aufgrund von Quanteneffekten entstehen; Technisch gesehen ist die Gravitation nicht renormierbar . Da die klassische allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik bei solchen Energien aus theoretischer Sicht unvereinbar zu sein scheinen, ist diese Situation nicht haltbar. Eine mögliche Lösung besteht darin, Partikel durch Strings zu ersetzen. Stringtheorien sind Quantentheorien der Schwerkraft in dem Sinne, dass sie sich bei niedrigen Energien auf die klassische allgemeine Relativitätstheorie plus Feldtheorie reduzieren, aber vollständig quantenmechanisch sind, ein Graviton enthalten und als mathematisch konsistent angesehen werden. [27]

Siehe auch [ Bearbeiten ]

  • Gravitationswelle
  • Gravitino
  • Doppelgraviton
  • Gravitomagnetismus
  • Massive Schwerkraft
  • Schwere
  • Multiversum
  • Planck-Masse
  • Statische Kräfte und Austausch virtueller Teilchen

Referenzen [ bearbeiten ]

  1. ^ G wird verwendet, um Verwechslungen mit Gluonen zu vermeiden(Symbol g)
  2. ^ Rovelli, C. (2001). "Notizen für eine kurze Geschichte der Quantengravitation". arXiv : gr-qc / 0006061 .
  3. ^ a b Blokhintsev, DI; Gal'perin, FM (1934). "Neutrпотеза нейтрино и закон сохранения энергии" [Neutrino-Hypothese und Energieerhaltung]. Pod Znamenem Marxisma (auf Russisch). 6 : 147–157. ISBN 9785040089567.
  4. ^ Zyla, P.; et al. ( Partikeldatengruppe ) (2020). "Überblick über die Teilchenphysik: Gauge- und Higgs-Bosonen" (PDF) . Cite journal requires |journal= (help)
  5. ^ Für einen Vergleich der geometrischen Ableitung und der (nicht geometrischen) Spin-2-Feldableitung der allgemeinen Relativitätstheorie siehe Kasten 18.1 (und auch 17.2.5) von Misner, CW ; Thorne, KS ; Wheeler, JA (1973). Gravitation . WH Freeman . ISBN 0-7167-0344-0.
  6. ^ Feynman, RP; Morinigo, FB; Wagner, WG; Hatfield, B. (1995). Feynman-Vorlesungen über Gravitation . Addison-Wesley . ISBN 0-201-62734-5.
  7. ^ Zee, A. (2003). Quantenfeldtheorie auf den Punkt gebracht . Princeton University Press . ISBN 0-691-01019-6.
  8. ^ Randall, L. (2005). Verzerrte Passagen: Entdecken Sie die verborgenen Dimensionen des Universums . Ecco Press . ISBN 0-06-053108-8.
  9. ^ Siehe die anderen Artikel über Allgemeine Relativitätstheorie , Gravitationsfeld , Gravitationswelle usw.
  10. ^ Colosi, D.; et al. (2005). "Hintergrundunabhängigkeit auf den Punkt gebracht: Die Dynamik eines Tetraeders". Klassische und Quantengravitation . 22 (14): 2971–2989. arXiv : gr-qc / 0408079 . Bibcode : 2005CQGra..22.2971C . doi : 10.1088 / 0264-9381 / 22/14/008 .
  11. ^ Witten, E. (1993). "Quantenhintergrundunabhängigkeit in der Stringtheorie". arXiv : hep-th / 9306122 .
  12. ^ Smolin, L. (2005). "Der Fall für Hintergrundunabhängigkeit". arXiv : hep-th / 0507235 .
  13. ^ Kaku, Michio (2006) Parallel Worlds - Die Wissenschaft alternativer Universen und unsere Zukunft im Kosmos . Doppelter Tag. S. 218–221. ISBN 978-0385509862 . 
  14. ^ Ali, Ahmed Farag (2014). "Kosmologie aus dem Quantenpotential". Physics Letters B . 741 : 276–279. arXiv : 1404,3093 . Bibcode : 2015PhLB..741..276F . doi : 10.1016 / j.physletb.2014.12.057 .
  15. ^ Das, Saurya (2014). "Kosmischer Zufall oder Gravitonenmasse?". International Journal of Modern Physics D . 23 (12): 1442017. arXiv : 1405.4011 . Bibcode : 2014IJMPD..2342017D . doi : 10.1142 / S0218271814420176 .
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  17. ^ a b B. P. Abbott; et al. ( LIGO Scientific Collaboration und Virgo Collaboration ) (1. Juni 2017). GW170104: Beobachtung einer binären Schwarzloch-Koaleszenz mit 50 Sonnenmassen bei Rotverschiebung 0,2. Briefe zur körperlichen Überprüfung . 118 (22): 221101. arXiv : 1706.01812 . Bibcode : 2017PhRvL.118v1101A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.118.221101 . PMID 28621973 . 
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  27. ^ Sokal, A. (22. Juli 1996). "Ziehen Sie noch nicht an der Superstring-Theorie" . Die New York Times . Abgerufen am 26. März 2010 .

Externe Links [ Bearbeiten ]

  • Graviton auf In unserer Zeit bei der BBC