Tekst źródłowy strony Grawiton

[[Plik:Elementary Particle Interactions.png|mały|Diagram oddziaływań cząstek elementarnych, zawierający hipotetyczny grawiton (oznaczony symbolem G)]]

'''Grawiton''' – hipotetyczna [[cząstka elementarna]], która nie ma [[Masa (fizyka)|masy]] ani [[Ładunek elektryczny|ładunku elektrycznego]] i przenosi [[Grawitacja|oddziaływanie grawitacyjne]]<ref>{{Encyklopedia PWN | tytuł = Grawiton | id = 3907669 | data dostępu = 2021-07-30 }}</ref>.

Teoria grawitonu jest podstawą różnych [[Grawitacja kwantowa|kwantowych teorii grawitacji]], będących wersją [[Kwantowa teoria pola|kwantowej teorii pola]], ale nie [[Model standardowy|modelu standardowego]].

== Własności ==
Grawiton jest [[Bozony|bozonem]]. Ma [[Spin (fizyka)|spin]] równy 2{{odn|Hawking|2003|s=108}}, co oznacza, że jest opisywany [[tensor]]em drugiego rzędu ([[macierz]]ą). Tensor drugiego rzędu ma w [[Czasoprzestrzeń Minkowskiego|przestrzeni czterowymiarowej]] 16 składowych, jednak macierz grawitonu jest [[macierz symetryczna|symetryczna]], stąd pozostaje niezależnych 10 składowych. Gdyby grawiton był masowy, to jego macierz miałaby 5 [[Wektory i wartości własne|stanów własnych]]. Jednak jest bezmasowy, stąd ma tylko dwa [[Wektory i wartości własne|stany własne]], analogiczne do stanów polaryzacyjnych światła. O ile jednak światło składa się z [[foton]]ów 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 „<math>+</math>” i „<math>\times</math>”.

Grawiton jest [[kwant]]em [[pole grawitacyjne|pola grawitacyjnego]]. W teorii względności pole to jest tożsame z [[tensor metryczny|tensorem metrycznym]], można więc interpretować grawiton jako „zmarszczkę” czasoprzestrzeni. W [[Grawitacja kwantowa|Teorii grawitacji kwantowej]] grawiton jest [[bozony cechowania|bozonem cechowania]], co oznacza, że oddziaływanie grawitacyjne polega na wymianie [[cząstka wirtualna|wirtualnych]] grawitonów. Grawitony mogą oddziaływać same ze sobą, stąd równania grawitacji są nieliniowe.

Grawiton jest identyczny ze swoją [[antymateria|antycząstką]] (podobnie jak np. [[foton]]).

Zgodnie z teorią [[Supersymetria|supersymetrii]] grawiton powinien mieć partnera o spinie <math>1\tfrac12.</math> Cząstka ta jest [[Fermiony|fermionem]] i nosi nazwę [[grawitino]].

Ze standardowej [[Ogólna teoria względności|teorii względności]] wynika, że grawiton ma masę 0. Istnieją jednak proste rozszerzenia tej teorii, gdzie obok grawitonów bezmasowych istnieją także masywne.

Ponieważ grawitacja jest bardzo słabym oddziaływaniem, prowadzi się eksperymenty mające rejestrować [[fale grawitacyjne]], które można rozumieć jako [[superpozycja|superpozycję]] ogromnej ilości ‘pojedynczych’ cząstek.

Grawiton oznacza się symbolem '''G'''.

== Obserwacja eksperymentalna ==
Nie istnieje żadne prawo fizyczne, z którego wynikałoby, iż wykrycie grawitonu jest niemożliwe, jednak jest to niemożliwe w praktyce. Np. szacuje się, że detektor o masie [[Jowisz]]a, umieszczony na niskiej orbicie [[gwiazda neutronowa|gwiazdy neutronowej]], działający ze 100% sprawnością byłby zdolny do wykrycia 1 grawitonu w ciągu 10 lat<ref>{{otwarty dostęp}} {{Cytuj |autor = Tony Rothman; Stephen Boughn |tytuł = Can gravitons be detected? |czasopismo = Foundations of Physics |wydanie = 36 |s = 1801–1825 |data = 2006 |doi = 10.1007/s10701-006-9081-9 |arxiv = gr-qc/0601043v3}}</ref>.

Kolejnym problemem jest ekranowanie od szumu tła. Podstawowe dwa źródła szumu, to promieniowanie kosmiczne oraz neutrina. [[Przekrój czynny]] dla interakcji neutrin z materią jest dwadzieścia rzędów wielkości większy niż przekrój czynny grawito-elektryczny. Osłona detektora w takim przypadku powinna być grubsza niż [[średnia droga swobodna]] dla neutrin, co dla materiałów o zwykłej gęstości oznacza grubość lat świetlnych. Taka osłona zapadłaby się w [[Czarna dziura|czarną dziurę]].

== Zjawiska z udziałem grawitonów ==
=== Grawitacja ===
{{Osobny artykuł|Grawitacja}}
Grawitacja jest najsłabszym ze [[oddziaływania podstawowe|znanych oddziaływań]]. [[Ładunek (fizyka)|Ładunek]] grawitacyjny (czyli [[masa (fizyka)|masa]]) jest dodatni dla każdej znanej formy [[materia (fizyka)|materii]]. Istnieją rozwiązania [[ogólna teoria względności|teorii względności]] (np. opisujące [[tunel czasoprzestrzenny|tunele czasoprzestrzenne]]), z których wynika masa ujemna, jednak nie jest pewne, czy są one fizycznie możliwe. [[Cząstka wirtualna|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 [[równanie Einsteina|równania ogólnej teorii względności]] są [[nieliniowość|nieliniowe]]. Nie da się także obliczyć siły grawitacji przy pomocy [[rachunek perturbacyjny|rachunku zaburzeń]], gdyż wymagałoby to np. istnienia makroskopowej funkcji falowej. Jest to przyczyną, dla której nie udało się dotąd stworzyć [[Grawitacja kwantowa|kwantowej teorii grawitacji]].

=== Fale grawitacyjne ===
{{Osobny artykuł|Fala grawitacyjna}}
Fale grawitacyjne, których nośnikami byłyby bozony, mogłyby być interpretowane jako spójny stan ([[kondensat Bosego-Einsteina]]) grawitonów, tak jak [[Promieniowanie elektromagnetyczne|fale elektromagnetyczne]] jako spójny stan [[foton]]ów. Projekty mające na celu doświadczalne odkrycie fal grawitacyjnych, takie jak [[LIGO]] i [[VIRGO]], zostały rozpoczęte w XXI wieku<ref>{{Cytuj pismo |nazwisko = Abbott et al. |imię = B.P. |tytuł = Observation of Gravitational Waves from Binary Black Hole Merger |czasopismo = Phys. Rev. Lett. |wolumin = 116 |wydanie = 6 |strony = 061102 |data = 2016-02-12 |issn = |doi = 10.1103/PhysRevLett.116.061102}}</ref>.

Fala grawitacyjna, tak jak sama grawitacja, jest odkształceniem [[czasoprzestrzeń|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. 300 000 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 [[Przyspieszenie|ruch przyspieszony]] dowolnego [[ciało (fizyka)|ciała]] powoduje emisję grawitonów. Efekt ten jednak nie jest zauważalny w typowych sytuacjach ze względu na zbyt małą energię emitowanego grawitonu. Istnienie fal grawitacyjnych można potwierdzić, dopiero gdy zaobserwuje się ruch w wystarczająco silnym [[potencjał grawitacyjny|potencjale grawitacyjnym]], np. w przypadku dwóch blisko okrążających się [[gwiazda|gwiazd neutronowych]]. Obserwuje się wtedy zmniejszanie [[okres (fizyka)|okresu]] obiegu ciał, powodowane emisją grawitonów. Zjawisko nie ma wyjaśnienia w [[fizyka klasyczna|fizyce klasycznej]] (część energii jest zabierana przez grawitony). Efekt taki zaobserwowano w latach 80. XX wieku w układzie podwójnym [[pulsar]]ów [[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 ===
Pełny opis interakcji czarnych dziur i grawitonów mogłaby dać [[Grawitacja kwantowa|teoria kwantowej grawitacji]], której obecnie nie udało się stworzyć. We wrześniu 2015 roku naukowcy projektu [[LIGO]] wykryli, a w lutym 2016 ogłosili istnienie fal grawitacyjnych. Ich emisja miała miejsce podczas połączenia dwóch czarnych dziur<ref>{{Cytuj |autor = Ludwika Tomala |opublikowany = PAP Nauka w Polsce |tytuł = Przełomowe odkrycie: zaobserwowano na Ziemi zmarszczki czasoprzestrzeni |url = http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,408395,przelomowe-odkrycie-zaobserwowano-na-ziemi-zmarszczki-czasoprzestrzeni.html |data = 2016-02-12 |data dostępu = 2017-01-07}}</ref><ref>{{Cytuj |autor = Mariusz Błoński |opublikowany = Kopalnia Wiedzy |tytuł = Potwierdzono odkrycie fal grawitacyjnych |url = http://kopalniawiedzy.pl/LIGO-fale-grawitacyjne,23996 |data = 2016-02-11 |data dostępu = 2017-01-07}}</ref><ref>{{Cytuj |autor = Pallab Ghosh |opublikowany = BBC |tytuł = Einstein’s gravitational waves ‘seen’ from black holes |url = http://www.bbc.com/news/science-environment-35524440 |data = 2016-02-11 |data dostępu = 2017-01-07 |język = en}}</ref>. Najpopularniejsza teoria przewiduje istnienie mechanizmu podobnego do [[promieniowanie Hawkinga|parowania czarnych dziur]], w taki sposób, że pary [[cząstka wirtualna|wirtualnych]] grawitonów miałyby się pojawiać poza [[horyzont zdarzeń|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 pomiędzy czarnymi dziurami.

== Grawitony a prawo powszechnego ciążenia i mechanika kwantowa ==
Istnienie grawitonu można naiwnie przewidzieć, tłumacząc [[prawo powszechnego ciążenia]] jako efekt zderzeń hipotetycznych [[Dualizm korpuskularno-falowy|cząstek kwantowych]] o dodatniej energii, ale przekazujących w wyniku zderzenia dziwny ''ujemny'' pęd, tzn. cząstek o ujemnej masie bezwładnej, powodujących w [[zderzenie|zderzeniach nieelastycznych]] reakcje odwrotną niż normalnie, tzn. wywołujących ujemne [[ciśnienie]] (przyciąganie, a nie odpychanie). Siła grawitacji od dużej masy-źródła <math>M</math> na masę próbną <math>m</math> w odległości <math>r</math> wyraża się wzorem
:: <math>F = G \frac{M m}{r^2}.</math>

Ponieważ siła grawitacji maleje z położeniem jak <math>1/r^2</math> sugeruje to absorpcje cząstek przez masę <math>m</math> z całkowitego strumienia
przecinającego powierzchnię sfery <math>4 \pi r^2.</math> Zapisując masę <math>m</math> jako
:: <math>m = \rho S \lambda_0,</math>

gdzie <math>S</math> to przekrój masy próbnej <math>\rho</math> jej gęstość, a <math>\lambda_0</math> jej długość, czyli długość drogi swobodnej pochłanianego grawitonu, i zakładając, że masa grawitacyjna <math>M</math> „paruje” bardzo wolno wykładniczo zgodnie ze [[Równoważność masy i energii|wzorem Einsteina]], emitując grawitony, tzn.
:: <math>M = M_0 e^{-\gamma t}</math>

możemy zapisać wtedy prawo grawitacji jako absorpcje strumienia pędu:
:: <math>F = 4 \pi \kappa \frac{d P}{dt} \frac{1}{4 \pi r^2} \rho S \lambda_0,</math>

gdzie zgodnie ze wzorem Einsteina
:: <math>\frac{d P}{dt} = -\frac{d(M c^2)}{c dt} \approx \frac{M_0 c^2 \gamma}{c},</math>

a <math>\kappa</math> jest na razie nieznanym współczynnikiem przekazu pędu.

Ponieważ grawitony mają być [[kwant]]ami jak fotony, z drugiej strony mamy
:: <math>\frac{d P}{dt} = \frac{\hbar \omega}{c} \frac{d N}{dt},</math>

gdzie <math>N</math> jest liczbą emitowanych w czasie grawitonów.

Otrzymujemy
:: <math>\frac{d N}{dt} = \frac{M_0 c^2 \gamma}{\hbar \omega}.</math>

Porównując z powrotem z prawem powszechnego ciążenia, otrzymujemy
:: <math>\kappa = \frac{G}{c \gamma},</math>

:: <math>F = \frac{4 \pi G \hbar}{c^2} \frac{\omega}{\gamma} \frac{d N}{dt} \frac{1}{4 \pi r^2} \rho S \lambda_0.</math>

Zakładając ponadto
:: <math>\omega = \gamma,</math>

emisja grawitonów następuje z gigantyczną połową tzw. częstości [[Zitterbewegung]] <math>\frac{dN}{dt} = \frac{M_0 c^2}{\hbar},</math> znanej z [[Równanie Diraca|równania Diraca]] i której działanie wyrównane jest znikomą wartością stałej sprzężenia wchodzącej do [[Przekrój czynny|przekroju czynnego]]:
:: <math>\tilde G = \frac{4 \pi G \hbar}{c^2} = 9{,}83547 \times 10^{-61}\mathrm\frac{m^3}{s}.</math>

Na przykład częstość ta dla Ziemi o masie <math>M_0 = 5{,}972 \times 10^{24}\ \mathrm{kg}</math> wynosi <math>d N/dt = 5{,}09238 \times 10^{75}</math> grawitonów na sekundę.

Znaczy to, że wobec słabości grawitacji grawitony mają prawie zerową masę i energię. Oczywiście ponieważ masy grawitacyjne wydają się być stałe zarówno <math>\omega,</math> jak i <math>\gamma</math> są tu niemierzalnie małe. Jak widać zgodnie z tą teorią grawitacja pomiędzy ciałami stopniowo słabnie, jednak dzieje się to niemierzalnie wolno.

W szczególności, definiując całkowity przekrój czynny na wychwyt grawitonu jako <math>\sigma,</math> takie że
:: <math>F = \frac{\hbar \omega}{c} \frac{d N}{dt} \frac{\sigma}{4 \pi r^2},</math>

otrzymujemy dla najcięższej cząstki elementarnej normalnej materii [[neutron]]u
:: <math>\sigma = \frac{4 \pi G}{c} \frac{m_n}{\gamma}>2{,}03791 \times 10^{-27}\ \mathrm{m}^2,</math>

jeśli tylko oszacujemy <math>\gamma</math> przez odwrotność wieku wszechświata, tzn. przekrój rzędu jego przekroju geometrycznego <math>\pi a_0^2 = 2{,}01062 \times 10^{-30}\ \mathrm{m}^2.</math>

Odwrotnie jeśli założymy natomiast, że przekrój czynny na wychwyt grawitonu przez neutron (lub proton) jest równy jego „widzianej” powierzchni bocznej ze znanym promieniem neutronu <math>a_0</math> tzn.
:: <math>\sigma = \pi a_0^2</math>

i
:: <math>F = p_a \frac{\hbar \omega}{c} \frac{d N}{dt} \frac{\pi a_0^2}{4 \pi r^2},</math>

gdzie:
:: <math>p_a</math> to prawdopodobieństwo nieelastycznego pochłonięcia grawitonu przez neutron (proton),

:: <math>p_a = \frac{4 \pi G}{c} \frac{m_n}{\gamma \pi a_0^2}</math>

jest równe 1, tzn. grawiton zawsze zostaje pochłonięty przez neutron, jeśli tylko w niego uderzy.

Otrzymujemy szacowanie na prędkość rozpadu grawitonowego masy:
:: <math>\gamma = \frac{4 G}{c} \frac{m_n}{a_0^2} = 2{,}32917 \times 10^{-15}\ \mathrm{s}^{-1},</math>

tzn. około 1 na jedną tysięczną wieku wszechświata (około 1 na 10 milionów lat) i na energię (masę) grawitonu
:: <math>m_g = \frac{\hbar \omega}{c^2}\approx \frac{\hbar \gamma}{c^2} = \frac{4 G \hbar}{c^3}\frac{1}{a_0^2} = \frac{4}{\Lambda a_0^2}m_n = 2{,}73149 \times 10^{-66}\ \mathrm{kg} = 1{,}53242 \times 10^{-30} \mathrm{eV}/c^2,</math>

gdzie:
:: <math>\Lambda = \frac{c^3}{G \hbar} = 3{,}829 \times 10^{69}\ \mathrm{m}^{-2}</math>

to tzw. [[stała kosmologiczna]] (wartość teoretyczna).

Wzór ten wyraża masę relatywistyczną w ruchu z prędkością równą (masa spoczynkowa 0) lub mniejszą od <math>c</math> i jest górną granicą szacowania masy spoczynkowej<ref>{{Cytuj pismo |nazwisko = Goldhaber |imię = Albert S. |nazwisko2 = Nieto |imię2 = Michael Martin |tytuł = Mass of the graviton |czasopismo = Phys. Rev. D |wolumin = 9 |wydanie = 4 |strony = 1119–1121 |data = 1974-02-15|issn = |doi = 10.1103/PhysRevD.9.1119}}</ref><ref>{{Cytuj pismo |nazwisko = Woodward |imię = James F. |nazwisko2 = Crowley |imię2 = Ronald J. |nazwisko3 = Yourgrau |imię3 = Wolfgang |tytuł = Mach’s principle and the rest mass of the graviton |czasopismo = Phys. Rev. D |wolumin = 11 |wydanie = 6 |strony = 1371–1374 |data = 2006-03-15|issn = |doi = 10.1103/PhysRevD.11.1371}}</ref>.

Jak widać związek ten jest w pewnym sensie symetryczny, jeśli zapisać go jako:
:: <math>m_g/b_0^2 = m_n/a_0^2,</math>

gdzie:
:: <math>b_0 = \left(\frac{4}{\Lambda}\right)^{1/2}.</math>

Jeśli z symetrii tego związku zinterpretujemy <math>b_0</math> też jako promień geometryczny grawitonu i założymy, że grawiton jest w stanie spoczynku zbudowany z materii o podobnej gęstości jak proton czy neutron, uzyskamy szacowanie na masę spoczynkową:
:: <math>m_{0g} = \left(\frac{b_0}{a_0} \right)^3 m_n = 1{,}10337 \times 10^{-85}\ \mathrm{kg} = 6{,}19015 \times 10^{-50}\ \mathrm{eV}/c^2.</math>

Z odwrócenia wzoru Einsteina na masę relatywistyczną:
:: <math>m_g = \frac{m_{0g}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math>

wynika, że grawitony o tak małej masie poruszają się z prędkością nierozróżnialnie bliską <math>c.</math>

Dotychczasowe doświadczenia szacują masę grawitonu na mniejszą niż <math>7{,}7 \times 10^{-23}\ \mathrm{eV}/c^2</math><ref>{{Cytuj pismo |autor = Abbott B.P. et al |tytuł = GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2 |czasopismo = Physical Review Letters |data = 2017-06-01 |wolumin = 118 |numer = 22 |strony = 221101 |doi = 10.1103/PhysRevLett.118.221101 |data dostępu = 2017-06-04}}</ref>.
{{wikisłownik|grawiton}}

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Bibliografia ==
* {{cytuj książkę |nazwisko = Hawking |imię = Stephen |autor link = Stephen Hawking |tytuł = [[Teoria wszystkiego: powstanie i losy Wszechświata]] |wydawca = [[Zysk i S-ka]] |rok = 2003 |miejsce = Poznań |isbn = 83-7298-429-8 |odn=tak}}

== Linki zewnętrzne ==
* {{otwarty dostęp}} Michał Bejger, ''[https://www.deltami.edu.pl/temat/fizyka/grawitacja_i_wszechswiat/2017/09/20/Czy_grawiton_da_sie_wykryc/ Czy grawiton da się wykryć?]'', [[Delta (miesięcznik)|miesięcznik „Delta”]], październik 2017 [dostęp 2023-05-21].

{{Cząstki elementarne}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Bozony]]
[[Kategoria:Hipotetyczne cząstki]]
[[Kategoria:Grawitacja kwantowa]]