Гравитон | физика | Британика

  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • Этот день в истории
  • Викторины
  • Подкасты
  • Словарь
  • Биографии
  • Резюме
  • Популярные вопросы
  • Инфографика
  • Демистификация
  • Списки
  • #WTFact
  • Товарищи
  • Галереи изображений
  • Прожектор
  • Форум
  • Один хороший факт
  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • Britannica объясняет
    В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
  • Britannica Classics
    Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
  • Demystified Videos
    В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
  • #WTFact Видео
    В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
  • На этот раз в истории
    В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
  • Студенческий портал
    Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
  • Портал COVID-19
    Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
  • 100 женщин
    Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
  • Спасение Земли
    Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
  • SpaceNext50
    Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

  • Введение

Краткие факты

  • Связанный контент

Викторины

  • Физика и естественное право

Что такое гравитоны? | NOVA

В конкурсе на наименее спорное утверждение, которое может сделать человек, «То, что поднимается, должно опускаться», безусловно, является сильным соперником. Из четырех известных фундаментальных взаимодействий — гравитации, электромагнитного взаимодействия, сильного и слабого ядерных взаимодействий — у нас есть наиболее интуитивное понимание гравитации. Начиная с наших первых экспериментов, когда мы бросали Cheerios со стульчика для кормления, мы тратим свою жизнь на то, чтобы смириться с ограничениями, которые накладывает на нас гравитация.

В конце 1600-х годов Исаак Ньютон разработал первую серьезную теорию гравитации. Он описал гравитацию как поле, которое может простираться на большие расстояния и диктовать путь массивным объектам, таким как Земля. Теория Ньютона была потрясающе эффективной, но природа гравитационного поля оставалась загадкой. В 1915 году общая теория относительности Альберта Эйнштейна дала теоретикам возможность впервые заглянуть «под капот» гравитации. Эйнштейн утверждал, что то, что мы называем гравитацией, на самом деле является искажением пространства и времени. Земля выглядит так, будто вращается вокруг Солнца по эллипсу, но на самом деле она движется по прямой через искривленное пространство-время.

Теория гравитации Эйнштейна очень хорошо объясняет поведение больших объектов. Но всего несколько лет спустя физики открыли мир ультрамалых, открыв, что другие фундаментальные силы возникают благодаря обмену специализированными частицами, переносящими силу: фотоны передают электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие передается глюонами, а слабое ядерное взаимодействие передается движением бозонов W и Z. Возникает ли гравитация из-за такого же обмена частицами?

На самом деле мы не знаем ответа на этот вопрос, но у нас есть имя для этой гипотетической частицы, если она существует: она называется гравитоном. И хотя мы никогда не наблюдали гравитон, мы многое о них знаем, если они реальны. Во-первых, поскольку диапазон действия силы гравитации бесконечен, а сила гравитации ослабевает как единица на квадрате расстояния между двумя объектами (т. е. 1/r 2 ), гравитон должен иметь нулевую массу. Мы знаем это, потому что, если бы у фотона была масса, он изменил бы «2» в показателе степени, а эта «2» была установлена ​​с невероятной точностью. Подобно безмассовым фотонам, гравитоны должны двигаться со скоростью света.

Общая теория относительности также дает нам некоторое представление о природе гравитонов. В общей теории относительности распределение массы и энергии во Вселенной описывается матрицей четыре на четыре, которую математики называют тензором второго ранга. Это важно, потому что если тензор является источником гравитации, вы можете показать, что гравитон должен быть частицей с квантово-механическим спином, равным двум. Еще одним приятным последствием этого соответствия является то, что гравитон — единственная возможная безмассовая частица со спином два. Если вы наблюдаете безмассовую частицу с двумя спинами, вы нашли гравитон.

Так почему до сих пор никто не нашел гравитон? Проблема с поиском гравитонов заключается в том, что гравитация невероятно слаба. Например, электромагнитная сила между электроном и протоном в атоме водорода в 10 39 раз больше, чем гравитационная сила между теми же двумя частицами. Возможно, более наглядным примером является поведение магнита и скрепки. Магнит будет удерживать скрепку против земного притяжения. Подумайте, что это значит. Маленький магнит, вроде того, что прикреплял ваши рисунки к холодильнику ваших родителей, когда вы были ребенком, тянет скрепку вверх, а гравитация вся планета тянет вниз, и магнит побеждает .

Отдельные гравитоны взаимодействуют очень слабо, и мы привязаны к планете только потому, что Земля испускает их так много. Поскольку одиночный гравитон настолько слаб, мы не можем напрямую обнаружить отдельные классические гравитоны.

Однако существуют новые и новаторские идеи о гравитации, в которых могут существовать другие формы гравитонов. Некоторые из этих экзотических гравитонов могут быть обнаружены, но они требуют значительных изменений в нашем понимании нашей Вселенной. Здесь все становится немного умопомрачительным.

Если фраза «что поднимается вверх, то должна опускаться» может быть крылатой фразой Капитана Очевидность, то «мы живем в трех измерениях» может быть боевым кличем его напарника, лейтенанта Да. Однако некоторые ученые выдвинули идею о том, что гравитация может иметь доступ к более чем трем измерениям. В этом случае гравитация на самом деле может быть не такой слабой, как мы думаем. Она кажется слабой только потому, что, в отличие от других фундаментальных сил, у нее есть дополнительные измерения, в которые она может «распространяться».

На первый взгляд это выглядит глупо. Природа гравитации 1/r 2 является неопровержимым признаком того, что гравитация действует в трех измерениях, и это поведение было непосредственно проверено вплоть до расстояний меньше миллиметра. Но это оставляет возможность для дополнительных измерений меньше 150 микрометров или около того. Можно представить себе эти маленькие размеры, представив натянутый канат. Для канатоходца, который может ходить по канату только вперед и назад, канат одномерен. Но для муравья, который также может ползать по окружности веревки, веревка кажется двухмерной. То, что кажется одномерным большому существу, кажется двухмерным меньшему. Эти меньшие измерения цикличны в том смысле, что если вы путешествуете за пределами одного из них, вы в конечном итоге вернетесь в то же место.

Квантовая механика говорит нам, что каждая частица также является вибрирующей волной, и было высказано предположение, что гравитоны могут вибрировать в этих дополнительных измерениях, обвивая малое измерение, как браслеты на тонком запястье. Однако циклическая природа дополнительного измерения накладывает ограничения на то, как гравитон может вибрировать. Только целое число длин волн может равномерно поместиться в дополнительном измерении. И это подводит нас к паре интересных следствий. В теориях с дополнительными измерениями может существовать более одного типа гравитона. Один из способов увидеть это — представить себе, что вы берете синусоиду и наматываете ее на цилиндр. Для того, чтобы он идеально подходил, вы должны использовать одну длину волны или две или три или любое целое число длин волн. Каждый из этих случаев представляет собой отдельный гравитон; те, у которых больше вибраций, на самом деле могут иметь массу. Частицы такого типа называются гравитонами Калуцы-Клейна в честь физиков Теодора Калуцы и Оскара Клейна, которые первыми предложили идею дополнительных малых пространственных измерений. В крошечных масштабах гравитоны Калуцы-Клейна могут иметь массу, но в более крупных масштабах они сводятся к знакомым безмассовым гравитонам классической теории.

Используя ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, физики уже ищут эти небольшие дополнительные измерения, отчасти ища ожидаемые продукты распада массивных гравитонов. Они еще ничего не нашли, а это значит, что если дополнительные измерения существуют, то они должны быть в тысячу раз меньше протона, хотя есть много предостережений в отношении того, как интерпретировать данные.

Гравитация — это единственная известная фундаментальная сила, которая не поддается изучению в квантовой сфере, и обнаружение гравитонов любого вида было бы огромным шагом вперед в нашем понимании этого явления. Разработка успешной теории квантовой гравитации является одной из самых горячих целей современной физики, и продолжающиеся экспериментальные поиски гравитонов будут играть центральную роль.

Иди глубже
Наш выбор для дальнейшего чтения

Природа реальности: из чего состоит гравитация? В этом видеоблоге физик Грег Кестин описывает результаты эксперимента BICEP2 2014 года и их значение для гравитонов и квантовой гравитации.

Учитель физики: дополнительные измерения пространства Автор Дон Линкольн объясняет, о чем говорят физики, когда говорят о дополнительных измерениях.

Премия Пуанкаре Лекция: Можно ли обнаружить гравитон?
В этой технической лекции выдающийся теоретик Фриман Дайсон задается вопросом, будет ли когда-нибудь возможно обнаружить гравитоны.

Деформированные проходы: разгадка тайн скрытых измерений Вселенной
В этой популярной книге физик из Гарварда Лиза Рэндалл объясняет, почему теоретики считают, что дополнительные измерения могут существовать, и как мы можем их найти.

Получайте электронные письма о предстоящих программах NOVA и соответствующем контенте, а также рекомендуемые отчеты о текущих событиях через призму науки.