Гравитон — гипотетическая элементарная частица, квант гравитационного поля, которая в рамках квантовой теории поля переносит гравитационное взаимодействие. Аналогично фотону для электромагнитного поля, гравитон обладает рядом специфических свойств, вытекающих из теории относительности и принципов квантовой механики.
1. Спин и статистика Гравитон предполагается безмассовым бозоном с спином 2. Этот спин характеризует тензорный характер поля, которое он квантует. В отличие от фотона, который имеет спин 1 и переносит векторное поле, гравитон является квантовой носителем тензорного поля, отражающего природу кривизны пространства-времени в общей теории относительности.
2. Масса В стандартной теории гравитации, основанной на Эйнштейновской модели, гравитон безмассовый, что обеспечивает бесконечную дальность действия гравитации. Альтернативные модели, включая массивную гравитацию, рассматривают возможность ненулевой массы гравитона, что приводит к модификациям закона Ньютона на больших масштабах.
3. Скорость распространения Безмассовый гравитон распространяется со скоростью света c в вакууме. В случае массивного гравитона скорость зависит от энергии кванта и его массы, что приводит к дисперсионным эффектам при прохождении через космическое пространство.
В квантовой теории поля гравитационное поле hμν рассматривается как возмущение метрики пространства-времени gμν = ημν + hμν, где ημν — метрика Минковского. Для слабых полей линейное приближение даёт:
$$ \Box h_{\mu\nu} = - \frac{16 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu}, $$
где Tμν — тензор энергии-импульса. Квантование этих возмущений приводит к появлению квантов поля, то есть гравитонов, с характеристиками:
Фундаментальный оператор гравитационного поля может быть разложен по модам, аналогично электромагнитному полю:
ĥμν(x, t) = ∑k, λ[ϵμν(λ)(k)ak(λ)eik ⋅ x − iωt + h.c.],
где ϵμν(λ) — поляризационный тензор, а ak(λ) — оператор уничтожения гравитона.
Гравитоны взаимодействуют с любой формой энергии через тензор энергии-импульса. Слабость гравитационного взаимодействия делает детектирование отдельных гравитонов чрезвычайно сложным: вероятности рассеяния порядка G2, где G — гравитационная постоянная. Это объясняет, почему квантовые эффекты гравитации проявляются только на планковских масштабах (lP ∼ 10−35 м).
Гравитоны обладают двумя независимыми поляризационными состояниями при распространении в вакууме, что соответствует двум степеням свободы тензорного поля. Эти состояния обычно называют “+” и “×”, отражая ориентацию и форму возмущений в пространстве. Физически это проявляется в гравитационных волнах как двухкомпонентные деформации метрического тензора, вызывающие растяжение и сжатие вдоль взаимно перпендикулярных осей.
В классической Эйнштейновской теории гравитация соответствует безмассовому гравитону. Однако расширенные теории включают:
Массивный гравитон предсказывает наличие трёх дополнительных поляризаций, что влияет на структуру гравитационных волн и их детектируемые сигналы.
Гравитоны являются квантовым аналогом гравитационных волн. Наблюдения LIGO и Virgo фиксируют классические возмущения метрики, которые можно интерпретировать как макроскопические квазиклассические состояния больших ансамблей гравитонов. Измерения скоростей, поляризаций и дисперсии волн дают косвенные ограничения на свойства гравитонов:
Основная трудность в физике гравитонов — экспериментальное обнаружение отдельного кванта гравитационного поля. Прямое наблюдение в текущих условиях невозможно из-за чрезвычайной слабости взаимодействия с детекторами. Тем не менее, косвенные методы, включая астрономические наблюдения и анализ фаз и амплитуд гравитационных волн, позволяют ставить строгие ограничения на свойства гравитонов и проверять теоретические модели квантовой гравитации.
Эти исследования являются фундаментальным мостом между классической общей теорией относительности и квантовой теорией поля, открывая путь к объединению всех фундаментальных взаимодействий в единое квантовое описание.