Astronomija

Obstoj gravitonov?

Obstoj gravitonov?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Veliko svojega neobveščenega življenja dvomim v obstoj gravitonov ali celo v to, da je gravitacija dejanska "sila" (kot je elektromagnetizem). To je zato, ker je bila moja vizija splošne relativnosti takšna, da se množične krivulje raztezajo tako, da predmeti še vedno potujejo v "ravni črti", ko nanje deluje "gravitacija", tako da ni potrebna "sila". Zdaj vem, da je to naivno stališče, vendar nisem stoodstotno prepričan, zakaj. Prejšnji dan sem razmišljal, da samo dejstvo, da gravitacija sledi inverznemu kvadratnemu zakonu, pomeni, da gre za silo, ki jo nosijo delci (ki padajo v intenzivnosti toka zaradi geometrije 3D prostora).

Moje vprašanje bi se glasilo: Ali dejstvo, da gravitacija sledi inverznemu kvadratnemu zakonu, naravno izpade iz splošnih enačb relativnosti ali je to predpostavka, uporabljena pri razvoju enačb?

In ravno zdaj sem pomislil, da lahko tudi druge sile ukrivijo prostor (samo v višjih dimenzijah).


Veliko svojega neobveščenega življenja dvomim v obstoj gravitonov ali celo v to, da je gravitacija dejanska "sila" (kot je elektromagnetizem).

Gravitacija je sila, kot je elektromagnetizem, vendar ima posebno lastnost, da vsi preskusni delci padajo enako v gravitacijskem polju, ne glede na njihovo sestavo. To pomeni, da so vztrajnostne mase in gravitacijske mase enake (ali vsaj vsesplošno sorazmerne, zato lahko uporabimo enote, v katerih so enake), in gravitacijski prosti padec si lahko razlagamo kot vztrajnostno gibanje.

Kar zadeva kvantno teorijo polja, je pravzaprav izrek, da se morajo pri nizkih energijah delci spin-2 brez mase enakovredno povezati z vsemi energijskimi gibi, ne glede na vrsto delcev. Z drugimi besedami, načelo enakovrednosti splošne relativnosti je dokazljiv izrek za gravitone.

Nasprotno pa si lahko splošno relativnost razlagamo tudi kot brezmasno polje spin-2 na ravnem ozadju vesolje-čas, toda zaradi te univerzalnosti ozadje ne bo mogoče opaziti z nobenim eksperimentom. Zato relativisti tega običajno ne počnejo, saj je geometrijska interpretacija lažja.

Na žalost se kvantizirana splošna relativnost zelo slabo obnaša, če jih poskušamo popeljati v poljubno energijske lestvice. Fizično to pomeni, da mora pred tem priti neka nova fizika, da jo popravi. Vendar tovrstna situacija skoraj ni edinstvena za gravitacijo, ki je še vedno smiselna kot učinkovita teorija polja pri nižjih energijah; prim. živo oceno Cliffa P. Burgessa. V priljubljenih opisih je pogosto precenjena napetost med splošno relativnostjo in kvantno mehaniko.

Moje vprašanje bi se glasilo: Ali dejstvo, da gravitacija sledi inverznemu kvadratnemu zakonu, naravno izpade iz splošnih enačb relativnosti ali je to predpostavka, uporabljena pri razvoju enačb?

Inverzno kvadratni del izpade sam, vendar je za posebno konstanto sorazmernosti potrebna dodatna predpostavka.

Če upoštevamo splošno enačbo polja $ G _ { mu nu} = kappa T _ { mu nu} $, kjer je $ T _ { mu nu} $ tenzor napetosti in energije, za katerega se domneva, da je simetričen in kovariantno ohranjen, potem je Einsteinov tenzor $ G _ { mu nu} equiv R _ { mu nu} - frac {1} {2} g _ { mu nu} R $ edinstvena razsežnost-invariantna rešitev, ki lahko zgrajena iz metrike. Ta zahteva pomeni, da so dovoljeni le izrazi, ki so v izvodih metrike drugega reda, prekinjena pa je npr. kozmološki konstanten izraz $ Lambda g _ { mu nu} $, saj to v teorijo uvede dolžino $ Lambda ^ {- 1/2} sim 10 ^ {10} , mathrm {ly} $.

Obstajajo še drugi načini za razvoj Einsteinove enačbe polja, npr. prek Einsteinove-Hilbertove akcije, ki ne potrebuje posebnih predpostavk o tenzorju stresne energije. Ne glede na to je vloga Newtonove meje pri določanju vrednosti sicer nedoločene konstante $ kappa = 8 pi G / c ^ 4 $. Če vas zanima le Newtonovo razmerje inverzno kvadrat, potem samo to ne potrebuje dodatnih predpostavk o poskusu ujemanja z Newtonovo gravitacijo.

Glede na časovno vektorsko polje $ u $, ki ga lahko razlagamo kot štirih hitrosti neke družine opazovalcev, lahko zapišemo časovno-časovno projekcijo enakovredne oblike enačbe Einsteinovega polja, $ R _ { mu nu} = kappa (T _ { mu nu} - frac {1} {2} g _ { mu nu} T) $, kot $$ R_ {00} equiv R _ { mu nu} u ^ mu u ^ nu = frac {1} {2} kappa ( rho + 3p) text {,} $$ kjer je $ rho $ energijska gostota, $ p $ pa povprečje glavnih napetosti kot izmeri opazovalec s štiristopenjsko $ u $. Za nerelativistične snovi so izrazi napetosti zanemarljivi v primerjavi z gostoto energije.

Običajno se obravnava Newtonova meja tako, da se uporabi približek šibkega polja, $ g _ { mu nu} = eta _ { mu nu} + h _ { mu nu} $ s $ | h _ { mu nu} | ll 1 $, da pokaže, da je $$ frac {1} {2} kappa rho približno R_ {00} = R ^ alpha {} _ {0 alpha 0} približno delno_ alpha Gamma ^ { alpha} _ {00} približno- frac {1} {2} nabla ^ 2h_ {00} text {,} $$, ki ima nato obliko Poissonove enačbe za Newtonov gravitacijski potencial glede na gostoto snovi $ rho_ text {m} $, tj. $ nabla ^ 2 Phi = 4 pi G rho_ text {m} $. Za počasi premikajoče se testne delce geodetska enačba na Newtonija zmanjša enačbo gibanja: $$ frac { mathrm {d} ^ 2 mathbf {x}} { mathrm {d} t ^ 2} = frac {1} {2} nabla h_ {00} = - nabla Phi text {.} $$ Drug način, kako si to zamisliti, je zapisati pravi čas prostega delca in pokazati, da je njegovo ekstremiranje enakovredno ekstremizmu $ int levo ( frac {1} {2} v ^ 2 + frac {1} {2} h_ {00} desno) mathrm {d} t $, kar je dejanje dejanja (na maso) delca, ki je izpostavljen Newtonovi gravitaciji, kadar koli je $ h_ {00} približno -2 Phi / c ^ 2 $.

Morda vas bo zanimala ta preprostejša izpeljava Newtonovega gravitacijskega zakona okoli sferno simetričnega telesa, ki temelji na geometrijski interpretaciji Riccijeve ukrivljenosti kot pospeška prostornine majhne kroglice prvotno prihajajočih testnih delcev.

In ravno zdaj sem pomislil, da lahko tudi druge sile ukrivijo prostor (samo v višjih dimenzijah).

Za elektromagnetizem sta to storila Kaluza in Klein kmalu po GTR, vendar se izkaže, da to ni neposredno koristen način razmišljanja o drugih silah.

Namesto tega si lahko Riemannovo ukrivljenost v splošni relativnosti predstavljamo kot ukrivljenost oblike povezave Levi-Civita na tangentnem snopu danega mnogovrstnika s strukturno skupino $ mathrm {O} (1, n) $. Toda v tem jeziku je jakost elektromagnetnega polja ukrivljenost povezave $ ieA_ mu $ nad snopom črt s strukturalno skupino $ mathrm {U} (1) $. Druge ne gravitacijske sile podobno opisuje Yang-Millsova teorija.

Z drugimi besedami, druge sile že imajo opis, v katerem jih povzroča ukrivljenost, samo ne vesolje-čas. Torej, čeprav se gravitacija razlikuje od njih, ni dovolj različna, da bi jo v nekem smislu obravnavali kot "manj resnično" kot druge.


Gravitacija je pravzaprav fiktivna sila, podobno kot centrifugalna sila. V prostem padajočem referenčnem okviru izgine. Na splošno je gravitacija relativnosti (GR) le rezultat (diferencialne) geometrije: ukrivljenosti prostora in časa. Inverzni kvadratni zakon je le približek nizke energije, vendar je dejanska enačba gravitacije, ki izhaja iz GR, bolj zapletena od te. Ogromen uspeh Newtonove gravitacije nam pove, da je treba kateri koli model gravitacije približati klasičnemu inverznemu kvadratnemu zakonu pri nizkih energijah.

Ali GR to počne po (Einsteinovi) zasnovi ali kaj drugega, je stvar osebnega mnenja. Einstein je vsekakor vedel, da mora dobiti približno newtonsko gravitacijo pri nizkih energijah, zato bi zavrgel ali spremenil vse ideje, ki niso izpolnile tega merila. Vendar obstajajo standardni argumenti, zakaj mora gravitacija upoštevati inverzni kvadratni zakon, vsaj v situacijah z nizko energijo.

Zdaj v GR veliko več kot le masa prispeva k gravitacijskemu polju. Spin in električni naboj, na primer, in kar je zelo pomembno: energija (znameniti $ E = mc ^ 2 $ nam govori, kako maso izraziti kot energijo, tako da lahko te stvari obravnavamo na skupni osnovi). Torej, da, vse sile in delci prispevajo k gravitaciji. Tudi fotoni.

GR sam ne predvideva (ali ne zahteva) obstoja novih delcev zunaj standardnega modela, na primer gravitonov. GR in kvantna mehanika (QM) sta izjemno nezdružljivi: v ekstremnih situacijah, ko sta pomembna tako GR kot QM (na primer nevtronske zvezde in črna luknja), prenehata biti smiselna dokaj hitro. Še posebej GR. "Gravitoni" in različne različice so hipotetični delci, ki naj bi rešili to težavo z ustvarjanjem kvantne teorije gravitacije. Edini "dokaz", ki ga imamo na tej stopnji zanje, je, da sta naši najbolj uspešni teoriji o delovanju vesolja, GR in QM, tako boleče nezdružljivi. Torej vemo, da so te teorije pomanjkljive (znane tudi kot napačne) in da je potrebna neka druga teorija, ki lahko reši te situacije, hkrati pa vključuje tudi vse uspehe QM in GR - neverjetno natančne so, če je le ena od njih še posebej pomembna, konec koncev.

Točno tisto, kar ta teorija je je stalno in obsežno raziskovalno področje.


Najprej je v metriki vidno dejstvo, da gravitacija pade z $ 1 / r ^ 2 $.

Metrika opisuje ukrivljenost prostora. Za prostor okoli masivnega predmeta je to Schwarzchildova metrika

$$ mathrm {d} s ^ 2 = - levo (1- frac {r_s} {r} desno) mathrm {d} t ^ 2 + levo (1- frac {r_s} {r} desno) ^ {- 1} mathrm {d} r ^ 2 + r ^ 2 ( mathrm {d} theta ^ 2 + sin ^ 2 theta mathrm {d} phi ^ 2) $$

Jasno je, da če je $ r gg r_s $ to videti tako

$$ mathrm {d} s ^ 2 = - mathrm {d} t ^ 2 + mathrm {d} r ^ 2 + r ^ 2 ( mathrm {d} theta ^ 2 + sin ^ 2 theta mathrm {d} phi ^ 2) $$, ki je metrika za ravno površino. Tako prostor postane bolj raven in raven po stopnji 1 $ / r ^ 2 $, kar je inverzni kvadrat, ki ga iščete.

Toda od kod izvira meritev Schwarzchild? Ne da bi se spuščali v krhko matematiko, lahko dokažemo, da ima edinstvena metrika sferično simetrijo, brez katere nič ne bi imelo smisla. To se imenuje Birkhoffov izrek.

Malo premisleka o vašem vprašanju zahteva še nekaj razmisleka

Želim govoriti o tem, od kod izvirajo gravitoni, najprej pa o ukrivljenosti.

Če želite izmeriti ukrivljenost prostora, je en način to, da se premikate v neki zaprti zanki in končate nazaj tam, kjer ste začeli. Če je prostor ukrivljen, ne boste obrnjeni v isto smer (ta ideja se imenuje vzporedni prevoz)

Recimo, da vzporedno prenašamo tangentni vektor, kot je na sliki. Iz izpeljanke v točki dobimo tangentni vektor (rahlo poseben odvod, imenovan kovariantni odvod, ker je prostor ukrivljen). Vzemimo vektor tangente in se pomaknemo naprej in nato levo. In tokrat poskusimo znova, ko se premaknemo levo, nato naprej. Na koncu imamo isto točko v obe smeri, toda kot na sliki, se bodo izpeljanke na nek način razlikovale. To povzamemo s komutatorjem (kjer je $ D $ kovariantni odvod), tako

$$ [D_ mu, D_ nu] = D_ mu D_ nu - D_ nu D_ mu neq 0 $$ To v bistvu pomeni "to storiti v enem primeru ni enako kot v drugem".

Zdaj pa naredimo varnostno kopijo in se pogovorimo o tem, kako se o elektromagnetizmu in drugih silah običajno razpravlja s pomočjo kvantne teorije polja.

Teorijo opisujemo z lagrangijem, za fermion (kot elektron) je videti tako

$$ mathcal {L} = bar psi (i gamma ^ mu D_ mu-m) psi $$

Če vzamem polje $ psi $ in mu dam transformacijo $$ psi v psi '= e ^ {i xi (x)} psi $$, potem bo lagrangijevec ostal nespremenjen. Ta vrsta preoblikovanja pripada skupini, imenovani $ U (1) $. Pravimo, da ima Lagrangian $ U (1) $ simetrijo. Ste opazili, da je ta $ D_ mu $ spet tam? To je ista stvar, kovariantni derivat, tudi tukaj v QED. Lahko poskusimo znova vzeti komutator

$$ [D_ mu, D_ nu] = -iF _ { mu nu} psi $$ kjer je $$ F _ { mu nu} = delno_ mu A_ nu - delno_ nu A_ mu $$

Iz tega oblikujemo celoten QED (kvantna teorija elektrodinamike) lagrangijev $$ mathcal {L} = bar psi (i gamma ^ mu D_ mu-m) psi- frac {1} {4 } F _ { mu nu} F ^ { mu nu} $$

Ne zajezite se v matematiki. Bistvo je zelo preprosto. Ali vidite $ A_ mu $? To je novo področje, zato smo ga morali uvesti, da so stvari delovale. V QED to polje ustreza fotonu (delci so kvanti polja, kot majhna izboklina v polju). Morali smo ga predstaviti ker smo imeli ukrivljenost. Kako naj vem, da imamo ukrivljenost? Ker kovariantni derivati ​​ne vozijo na delo, tako kot v GR, zgoraj. Tokrat pa ukrivljenost ni fizičnega prostora, temveč abstraktnega predmeta, imenovanega merilni snop $ U (1) $.

Torej ste povsem na pravi poti, ko rečete, da lahko druge sile ukrivijo prostor. Lepo je, da gravitacija zakriva prostor-čas, kar je zelo fizično in si jo je težko predstavljati, kajti druge sile ni tako enostavno predstavljati, čeprav je v osnovi enaka.

Kakorkoli že, nazaj na GR

Če želite popolno sliko Einsteinove gravitacije, se malo potrudite in pridete do nečesa, kar se imenuje Einsteinova-Hilbertova akcija (akcija je samo integral nad Lagrangianom), en urejen predmet, ki povzema celotno teorijo

$$ S = int R sqrt {g} mathrm {d} ^ 4x $$, kjer $ R $ prihaja (bolj ali manj) od komutatorja kovarijantnih derivatov, ki smo ga videli na vrhu. Ko sem govoril o QED, sem pomislil na dejstvo, da je to kvantna teorija (je). Vendar to EH delovanje ne opisuje kvantne teorije. Torej, lahko bi rekli, naj bo eno! Počakajte sekundo, ker dejansko ne deluje. Težava je v tem, kar se imenuje ponovna normalizacija - QED se lahko normalizira, GR pa ne. To je koren nezdružljivosti med GR in kvantno teorijo polja. Če bi lahko izvedli nastali kvantni delček, bi bil graviton. Prav imate, da dvomite o njihovem obstoju, saj jih še niso opazili ...

Dve različici iste stvari

Videli smo QED, ki opisuje delce svetlobe, fotone. Kvantificirani so. Nato smo videli, kako sta si GR in QED zelo podobna. GR ne moremo pravilno kvantizirati, če pa bi lahko, bi imeli gravitone, tako kot fotoni, ki so se pojavili v QED. Dvojnost med QED (in drugimi teorijami merilnikov, QCD itd.) Je jasna, zaradi česar veliko ljudi verjame, da bi verjetno morali imeti gravitone, četudi jih še niso opazili ali dosledno oblikovali.

Opomba o drugih teorijah

Obstaja veliko teorij, v katerih so gravitoni prisotni že od prvih načel, na primer brez težav pri ponovni normalizaciji, teoriji strun ali supergravitaciji.

Opomba o napakah v zgornjem

Oprosti, utrujen sem in neumen. Prosim, opozorite jih, če jih najdete!


Graviton

V teorijah kvantne gravitacije graviton je hipotetični kvant gravitacije, osnovni delček, ki posreduje silo gravitacije. Zaradi izjemnega matematičnega problema z renormalizacijo v splošni relativnosti ni popolne teorije kvantnega polja gravitonov. V teoriji strun, ki naj bi bila dosledna teorija kvantne gravitacije, je graviton brezmasno stanje temeljnega niza.

Graviton
SestavaOsnovni delec
StatistikaBose – Einsteinova statistika
InterakcijeGravitacija
StanjeHipotetično
SimbolG [1]
Proti delciJaz
TeoretičnoTrideseta leta [2]
Ime pripisujejo Dmitriju Blokhintsevu in F. M. Gal'perinu leta 1934 [3]
Maša0
& lt 6 × 10 −32 eV /c 2 [4]
Povprečna življenjska dobaStabilno
Električni naboj0 e
Spin2

Če obstaja, naj bi bil graviton brez mase, ker je gravitacijska sila zelo dolga in se zdi, da se širi s svetlobno hitrostjo. Graviton mora biti spin-2 bozon, ker je vir gravitacije tenzor napetosti in energije, tenzor drugega reda (v primerjavi s fotonom spin-1 elektromagnetizma, katerega vir je štiritentni tenzor prvega reda. ). Poleg tega je mogoče pokazati, da bi vsako brezmasno polje spin-2 povzročilo silo, ki se ne razlikuje od gravitacije, ker bi se brezmasno polje spin-2 povezalo s tenzorjem napetosti in energije na enak način kot gravitacijske interakcije. Ta rezultat kaže, da če je odkrit brezmasni delci spin-2, mora biti to graviton. [5]


Ali Graviton res obstaja?

V sodobni fiziki je snov v vesolju sestavljena iz kvant ali delcev, kot so elektroni, protoni in nevtroni. Za te delce lahko rečemo, da medsebojno delujejo skozi različne sile ali polja (močna, šibka, elektromagnetna, gravitacijska), za katera obstajajo ustrezni „kvantni polji“, kot so fotoni in gluoni. Na te kvante pogosto gledamo kot na delce, ki sestavljajo ta polja, in čeprav so stvari nekoliko bolj zapletene, je prava osnovna ideja. Za te kvante imamo veliko eksperimentalnih dokazov, vendar je pogosto omenjen tisti, za katerega nimamo eksperimentalnih dokazov. To je graviton.

Eden od osnovnih načinov v kvantni teoriji polja je začeti z valovno obliko in jo nato "kvantizirati" z uporabo matematičnega formalizma. Na ta način lahko na primer prikažete, kako fotoni nastajajo iz elektromagnetnega polja. Enako lahko storimo z gravitacijskim poljem. Začnite z gravitacijskimi valovi in ​​ga nato kvantizirajte, da dobite gravitone. Toda pri tem pristopu je nekaj težav. V kvantni teoriji polja vsa polja delujejo v ravnem ozadju prostora in časa (kar imenujemo prostor Minkowskega). Gravitacijski valovi izkrivljajo prostor in sam čas, zato se za pridobivanje gravitonov pogosto domneva, da so gravitacijski valovi nihanje v ozadju prostora Minkowskega. Tako lahko gravitacijo obravnavate kot polje v ravnem prostoru, da jo lahko kvantizirate.

Seveda splošna relativnost kaže, da gravitacija ne deluje tako. Gravitacija je produkt ukrivljenosti vesolja in časa, zato bi morali za kvantizacijo gravitacije kvantizirati vesolje-čas. Kako bi to lahko storili, je eden največjih nerešenih problemov v fiziki. Torej je možno, da gravitoni ne obstajajo. Toda na splošno velja, da to počnejo, saj večina fizikov misli, da bo na koncu kvantna teorija v središču vsega. Trenutni glavni pristopi kvantne gravitacije, kot sta teorija strun in zančna kvantna gravitacija, napovedujejo obstoj gravitonov z enakimi lastnostmi, ki jih vidimo v preprostem pristopu "kvantiziranega vala".

Tudi če gravitoni obstajajo, jih verjetno ne bi mogli nikoli zaznati. Kot je pokazal nekdanji članek, bi gravitoni tako šibko vplivali na mase, da bi potrebovali nekaj podobnega detektorju mase Jupiter, ki kroži okoli nevtronske zvezde. Tudi takrat bi trajalo več kot desetletje, da bi odkrili en sam graviton. Tudi takrat bi hrup zaradi stvari, kot so nevtrini, spral vaš signal. Če ni gravitacij na praktičen način, je smiselno, da o njih govorimo kot o znanstvenem modelu?


Ali obstajajo eksperimentalni podatki, ki podpirajo obstoj gravitonov? Če obstaja, kako hitro potujejo ti valovi / delci? So podobni fotonom?

Gravitoni so resnično zelo podobni fotonom. Oba predstavljata kvantizirano polje temeljne sile: fotoni elektromagnetno polje in gravitoni gravitacijsko polje. Obe sta sili z neskončnim dometom - pri obeh gre torej za brezmasne delce, ki potujejo s svetlobno hitrostjo. Enačbe polja, ki urejajo širjenje in interakcijo teh delcev, so seveda različne, vendar so osnovne lastnosti, ki sem jih pravkar opisal, enake.

Ker gre za kvantne predmete, ki jih ureja kvantna teorija polja, nimajo "delovanja na daljavo". To je po zasnovi. Kvantna teorija polja je tisto, kar imenujemo lokalna teorija: vse interakcije potekajo v določeni prostorsko-časovni točki. To lahko predstavljajo prostorsko-časovni diagrami, ki so videti (pomirjujoče) kot delci, ki se med seboj odbijajo (tako imenovani "Feynmanovi diagrami"). To ni slučajno - gravitoni in fotoni so izdelani za posredovanje sil. Potujejo od enega medsebojno delujočih delcev do drugega in s svetlobno hitrostjo prenašajo informacije o motnjah elektromagnetnega ali gravitacijskega polja. Konec koncev je vse delovanje v tem formalizmu lokalno (in zato manj zaskrbljujoče filozofsko). Skratka, kvantni opis temeljnih sil je zasnovan tako, da odpravi delovanje na daljavo.

Seveda vemo, da gravitacija obstaja - torej, če verjamete, da gravitacijo opisuje kvantna teorija polja, smo gravitacije "zaznali". Potem pa to ni preveč zadovoljivo. Obstoj kvantiziranih fotonov lahko 'dokažemo' s številnimi različnimi poskusi, na primer s fotoelektričnim učinkom. Na žalost vsi takšni poskusi zaznavanja "kvantne gravitacije" niso bili uspešni, ker je gravitacija veliko, veliko šibkejša od elektromagnetne sile. Zato je odkrivanje enega samega gravitona pravi izziv!

P.S. Nekateri radi rečejo, da delovanje na daljavo živi v pojavih propadajočih valovnih funkcij. Te vrste kvantno-mehanskega procesa kvantna teorija polja ne opisuje (učinki naj bi bili trenutni), zato ne more biti lokalni v smislu, ki sem ga opisal zgoraj. Več o tem lahko preberete v prejšnjem vprašanju PhysLink: o konceptu nelokalnosti.
Odgovoril: Brent Nelson, MA fizika, dr. Študent, UC Berkeley

„Naše zvestobo imamo do vrste in planeta. Govorimo v imenu Zemlje. Naša dolžnost preživeti je ne samo sama, ampak tudi tisti kozmos, starodaven in velikanski, iz katerega izviramo. '


Fizika delcev in kozmologija: Tkanina vesolja-časa

6 Povzetek in obeti

Povzemimo zaključke.

Obstoječi poskusi, da bi graviton pridobil maso na Lorentz-invariantni način, trpijo zaradi hudih težav, pri katerih je močna sklopka najbolj neškodljiva. Trenutno ni jasno, ali se je mogoče učinkovito spoprijeti z močno povezavo in zgraditi fenomenološko izvedljiv Lorentz-invariantni model masivnega gravitona.

Razbijanje Lorentzove nespremenljivosti vnaša dovolj svobode, da se te težave izognejo. Dosežemo namreč različne modele, ki jih je na linearni ravni mogoče parametrirati s 5 gravitonskimi masnimi parametri. Nekatere regije v prostoru teh parametrov vodijo do dosledne nizkoenergijsko učinkovite teorije z masivnimi gravitoni.

Poseben razred modelov, tisti s preostalo simetrijo (4.3), ima številne privlačne lastnosti. Dve prečni polarizaciji gravitona brez sledov sta edini stopnji svobode, ki se širita v teh modelih. Kozmološki razvoj ima točko atrakktorja z dodatno dilatacijsko simetrijo (5.20). V tej točki imata dva prispevka Goldstoneovih polj v tenzorju zagon energije v obliki kozmološke konstante in snovi z enačbo stanja, ki je odvisna od parametrov modela. Gravitonske mase med širitvijo vesolja preidejo na končne konstante.

V modelih s simetrijami (4.3) in (5.20) ničelna masa gravitona sobiva z nespremenjenim Newtonovim potencialom - možnost, ki je posledica kršitve Lorentzove nespremenljivosti. To omogoča razmeroma velike mase gravitona m2 ≲ (10 14 cm) −1, da je fenomenološko sprejemljiv. V zgodnjem vesolju lahko v veliki količini nastanejo veliki gravitoni, ki so nov kandidat za temno snov.

Masivni gravitoni relikvije proizvajajo zlahka prepoznaven monokromatski signal v detektorjih gravitacijskih valov. Med temi ima LISA velik potencial za preiskovanje prisotnosti masivnih gravitacijskih valov in za izključitev gravitona kot kandidata za temno snov.

Hkrati ostaja kar nekaj odprtih vprašanj, ki zahtevajo nadaljnje preučevanje. Tukaj je nekaj themml:

Sodobna kozmološka opazovanja postajajo vse bolj natančna. Da bi bila v skladu s temi opažanji, mora vsaka alternativna teorija gravitacije uspešno obravnavati več vprašanj, eno izmed njih je oblikovanje strukture. Prvo stopnjo tega procesa, linearno rast motenj, je enostavno proučiti v masivnem gravitacijskem modelu.

Pri reševanju linearnih motenj v odseku. 5 videli smo, da se zdi integracijska konstanta ψ0(x i ). To konstanto smo postavili na nič, saj so nas zanimala gravitacijska polja masivnih teles, ki niso povezana s to konstanto. V kozmološkem kontekstu je prisotna tudi ta konstanta. Verjetno se določa dinamično in se v inflacijski fazi spusti na nič, a to je treba še dokazati.

Zanimiv poseben primer γ = 1/3 si zasluži pozornost z druge perspektive. V tem primeru sta oba prispevka ρ1 in ρ2 imajo vakuumsko enačbo stanja w = -1. Posledično je stopnja pospeševanja pozne de Sitterjeve faze dinamična količina, ki jo določajo začetni pogoji v Goldstonovem sektorju in ne parametri delovanja. To je podobno položaju v unimodularni gravitaciji [52], kjer je tudi kozmološka konstanta konstanta integracije. Tako lahko masivni gravitacijski modeli osvetlijo kozmološki problem.

Podrobneje je vredno preučiti teorije, ki nimajo dilatacijske simetrije (5.20). V teh modelih se gravitacijski potencial spreminja na velikih razdaljah od vira. Načeloma je mogoče, da ti modeli lahko pojasnijo krivulje galaktičnega ravnega vrtenja, ki so alternativne temni snovi.

Na koncu lahko s polnim nelinearnim delovanjem preučimo nelinearne rešitve modela, zlasti črne luknje. Slednje so še posebej zanimive glede na pričakovani napredek v njihovih eksperimentalnih opazovanjih [53].


Teorija strun in lov za gravitoni

Teorija Kaluza-Klein je domnevala, da se gravitacija dejansko zdi šibka le tam, kjer obstajamo, ker dejansko ima sposobnost iti skozi več kot tri dimenzije hkrati in se zato na tanko razširi. Ta ideja je po desetletjih, ko so jo zaradi matematičnih nedoslednosti pogosto prezrli, ko je bila ponovno pregledana in izpopolnjena, sčasoma pripeljala do tega, kar je danes znano kot teorija strun - trenutno najbolj obetaven kandidat za vzpostavitev kvantne teorije gravitacije. To je tudi naše najboljše upanje za poenotenje kvantne teorije in splošne relativnosti, največje težave v fiziki danes.

V teoriji strun matematični izračuni kažejo na vesolje z desetimi dimenzijami prostora in eno dimenzijo časa, druge prostorske dimenzije pa so veliko premajhne, ​​da bi jih lahko videli tudi z mikroskopi. Številne ekipe fizikov danes lovijo gravitona, toda do zdaj so nas vsa upanja, da bi ujeli hipotetični delček, pustila praznih rok.

V kvantni fiziki je veliko stvari, ki jih ne razumemo in ne razumemo delcev, zakoni, ki z njimi vladajo, pa nam lahko pomagajo obvladati moči, ki jih imajo kvantni pojavi hipotetično. Dokazovanje obstoja delca, ki bi pomagal razumeti vse to, so sanje in to ostajajo do zdaj.

Tako kot smo, še zdaleč nismo dokončno dokazali, da obstaja. Kot je v prispevku zapisal višji fizik Fermilab Don Lincoln: »Gravitoni so teoretično ugledna ideja, vendar niso dokazani. Če torej slišite, da nekdo reče, da so "gravitoni delci, ki ustvarjajo gravitacijsko silo", ne pozabite, da je to razumna izjava, nikakor pa ni splošno sprejeta. Dolgo bo minilo, preden bodo gravitoni postali del uveljavljenega subatomskega panteona. "


Astronomi potrjujejo obstoj magnetnih valov na soncu in fotosfere # 8217s

Astronomi so prvič opazili valove magnetne energije, znane kot Alfvénovi valovi, v sončni fotosferi. To odkritje lahko pomaga razložiti, zakaj je sončna korona toliko bolj vroča od površine.

Sonce je narejeno iz plazme in kot katera koli plazma mora podpirati Alfvénove valove. To so valovi v plazmi, kjer se ioni gibljejo kot odziv na napetost magnetnega polja. Prvič napovedano pred več kot 50 leti, jih astronomi do zdaj niso mogli videti na soncu. Toda nedavna opazovanja sonca & # 8217s fotosfere & # 8211 najnižje plasti njenega ozračja in regije, ki oddaja svetlobo, ki jo lahko vidimo & # 8211, so jih končno našla.

Magnetna polja na soncu se lahko združijo in tvorijo dolge strukture, imenovane fluks cevi. Te cevi za pretok lahko poganjajo tvorbo Alfvénovih valov. Skupina raziskovalcev pod vodstvom dr. Marca Stangalinija pri Italijanski vesoljski agenciji (ASI, Italija) z znanstveniki iz sedmih drugih raziskovalnih inštitutov in univerz, vključno z dr. Davidom Tsiklauri in doktoratom kraljice Marije & # 8217s. študent Callum Boocock je z Evropsko vesoljsko agencijo & # 8217s IBIS skrbno spremljal sonce in fotosfero # 8217s.

Kljub prejšnjim trditvam Alfvénovih valov še nikoli dokončno niso našli na soncu.

Raziskovalci so svoja opažanja potrdili s pomočjo magnetnohidrodinamičnih (MHD) simulacij, ki so računalniške simulacije kompleksne fizike plazme, ki deluje na površini sonca.

Callum Boocock, doktorat študent na šoli za fiziko in astronomijo Queen Mary & # 8217s, je dejal: & # 8220Opazovanja torzijskih Alfvenovih valov, ki sta jih naredila Marco in njegova ekipa, so bila izredno podobna vedenju, ki smo ga videli v naših simulacijah MHD, kar dokazuje pomen teh simulacij za odkrivanje in razlago mehanizmi za ustvarjanje valov. & # 8221

Ugotovitev je ključni korak k razumevanju, zakaj ima zunanja sončna atmosfera, korona, temperaturo milijon stopinj višjo od površine. Nekaj ​​naj bi prenašalo energijo iz fotosfere v korono in ti Alfvénovi valovi so lahko krivec.


Nedvoumno

Četrtek je bil nedvoumno prvo zaznavanje gravitacijskih valov. Upamo, da bi astronomija gravitacijskih valov lahko začela odgovarjati na vprašanja ne le o življenju zvezd, temveč tudi o njihovi smrti: smrt zaradi trka, smrt v črni luknji, smrt v neki redki zvezdni katastrofi, tako hudi, da je nekaj tisočink drugič, eksplozija je najsvetlejša stvar v vesolju.

Še preden so se detektorji Ligo v dveh ameriških zveznih državah konec lanskega leta ponovno odprli za poslovanje, so bili raziskovalci prepričani, da bo odkrivanje hitro sledilo. Napoved je prišla po večmesečnih špekulacijah in desetletjih teoretičnega in praktičnega dela mednarodne mreže več kot tisoč znanstvenikov in inženirjev v Veliki Britaniji, Evropi, ZDA in po svetu.

Profesor Kip Thorne s Kalifornijskega tehnološkega inštituta in eden od ustanovnih očetov Liga je dejal, da so astronomi do zdaj gledali na vesolje kot na mirno morje. Vse to se je spremenilo.

"Trkajoče črne luknje, ki so povzročile te gravitacijske valove, so ustvarile silovito nevihto v tkivu prostora in časa, nevihto, v kateri se je čas pospeševal in upočasnjeval in spet pospeševal, nevihto, v kateri je bila oblika prostora ukrivljena v tem tako in tako, «je dejal.

Profesor Neil Turok, direktor Inštituta za teoretično fiziko Perimeter pri kanadskem Waterlooju in nekdanji sodelavec prof. Stephena Hawkinga, je odkritje označil za "pravo stvar, enega tistih prebojnih trenutkov v znanosti".

Ligo co-founder Rainer Weiss, left, and Kip Thorne, right, hug on stage during a news conference at the National Press Club in Washington. Photograph: Andrew Harnik/AP

Not only had the detector picked up the collision of two enormous black holes across a distance of almost a billion light years of space, it recorded the distinctive “chirp” as the two spiralled towards each other.

The discovery, he said, completes a scientific arc of wonder that began 200 years ago, when the great British scientist Michael Faraday began to puzzle about how action was transmitted across the distance of space how the sun pulled the Earth around. If the sun moved 10 yards, very suddenly, would the Earth feel the difference?

He reasoned that something must cross space to transmit the force of gravity. Faraday’s reasoning inspired the great British mathematician James Clerk Maxwell to think about how an electric force travelled, and arrive at an understanding of light and a prediction of radio waves.

“Einstein, when he came to write down his theory of gravity, his two heroes were Faraday and Maxwell,” said Turok. “He tried to write down laws of the gravitational field and he wasn’t in the least surprised to discover that his predictions had waves, gravitational waves.”

The Ligo discovery signals a new era in astronomy, he said.

“Just think of radio waves, when radio waves were discovered we learned to communicate with them. Mobile communication is entirely reliant on radio waves. For astronomy, radio observations have probably told us more than anything else about the structure of the universe. Now we have gravitational waves we are going to have a whole new picture of the universe, of the stuff that doesn’t emit light – dark matter, black holes,” he said.

“For me the most exciting thing is we will literally be able to see the big bang. Using electromagnetic waves we cannot see further back than 400,000 years after the big bang. The early universe was opaque to light. It is not opaque to gravitational waves. It is completely transparent.

“So literally, by gathering gravitational waves we will be able to see exactly what happened at the initial singularity. The most weird and wonderful prediction of Einstein’s theory was that everything came out of a single event: the big bang singularity. And we will be able to see what happened.”

The headline to this article was amended on 12 February 2016. An earlier version said the discovery was a breakthrough after two centuries of expectation. This has been corrected.


B-modes the “smoking gun”

In an interview with the Science Media Centre, Professor Richard Easther, HOD of physics at the University of Auckland, said, "The word is that the BICEP team has discovered B-modes, specific patterns in the polarisation of the microwave background. B-modes are the "smoking gun" of inflation, and their strength is tied to the energy density of the universe during inflation - if the rumours hold up, we could soon know that inflation did happen a trillion, trillion, trillionth of a second after the Big Bang, and at energies a trillion times beyond the reach of the Large Hadron Collider.

"There would still be several steps to nailing it down - not all B-mode signals must come from inflation, and not all inflationary models must produce detectable B-modes. And there's one more thing: the B-mode is sourced by gravitational waves - ripples in the fabric of space - generated during inflation.

"Gravitational waves are a key prediction of Einstein's General Relativity and their existence is still not conclusively confirmed. Even so, gravitational waves are getting second billing to what we will learn about the early universe: we will know that inflation is a compelling answer to cosmology's initial-conditions problems, and humankind will have looked directly into the cosmic dawn.”

After painstakingly checking and rechecking their measurements, the US team made the results public on 17 March 2014 at a press conference at the Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics .

The discovery, if confirmed by other teams of astronomers, is widely-tipped to be worthy of a Nobel Prize. At the very least, being able to observe the signature of gravitational waves from the Big Bang will open a new chapter in astronomy, cosmology and physics.