Gravitoni

Wikipedia

Fysiikassa gravitoni on hypoteettinen alkeishiukkanen, joka välittää gravitaatiovoimaa useimmissa kvanttigravitaatioteorioissa.

Gravitaation ominaisuuksien vuoksi gravitonien pitää olla aina puoleensavetäviä eli attraktiivisiä (gravitaatio ei koskaan hylji), toimia minkä tahansa matkan yli (gravitaatio on universaali) ja esiintyä lukuisissa määrin. Kvanttiteoriassa tällaiset hiukkaset ovat bosoneita, joilla on parillinen spin ja joiden lepomassa on nolla.

Gravitonit on postuloitu yksinkertaisesti sen vuoksi, että kvanttiteoria on ollut niin menestyksellinen muilla alueilla. Esimerkiksi kvanttielektrodynamiikka voidaan hyvin selittää käytännössä kvantittumisella fotoneiksi. Tässä tapauksessa varatut hiukkaset jatkuvasti muodostavat ja tuhoavat fotoneja. Nämä fotonien väliset vuorovaikutukset muodostavat makroskooppiset voimat, jotka ovat meille tuttuja, kuten magnetismi.

Maailmankaikkeuden perusvoimien kuvaamisessa käytetty kvanttiteoria menestyi laajalti hyvin, joten tuntui luonnolliselta, että samat keinot toimisivat yhtä hyvin myös gravitaatioon. Monet yritykset lopulta johtivat vielä havaitsemattomaan gravitoniin, joka toimisi suunnilleen samalla tavalla kuin fotoni. Toivottiin, että se johtaisi nopeasti kvanttigravitaatioteoriaan, vaikka matematiikka oli hieman vaikeaa.

[muokkaa] Gravitonit ja kvanttigravitaation mallit

Kvanttiteorian diskreettisyys ei ole yhteensopiva Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian jatkuvien funktioiden kanssa. Ongelmat yhdessä muutamien käsitteellisten arvoituksien kanssa saivat monet fyysikot uskomaan, että yleistä suhteellisuusteoriaa täydellisempi teoria hallitsee lähellä Planckin pituuden mittakaavaa. Supersäieteoriasta tuli lupaavin ratkaisu; se on ainoa teoria, jossa minkä tahansa asteen gravitonisironnan kvanttikorjaukset ovat äärellisiä.

Säieteoria ennustaa gravitonin olemassaolon ja niiden hyvin määritellyt vuorovaikutukset, mikä on sen tärkeimpiä virikkeitä. Gravitoni on säieteoriassa suljettu säie, joka on hyvin erityisessä matalan energian vibraatiotilassa. Gravitonien sironta säieteoriassa voidaan myös laskea korrelaatiofunktioista konformaalisessa kenttäteoriassa, kuten AdS/CFT-vastaavuus sanelee, tai matriisiteoriasta.

On myös olemassa kvanttigravitaatioteorioita, jotka eivät ennusta gravitonia; esimerkiksi silmukkakvanttigravitaatiossa ei ole vastaavaa hiukkasta.

[muokkaa] Gravitonit ja kokeet

Gravitonin havaitseminen, jos se on olemassa, on osoittautunut ongelmalliseksi. Koska gravitaatiovoima on niin uskomattoman heikko, nykyään eivät fyysikot ole pystyneet edes suoraan varmistamaan gravitaatioaaltojen olemassaoloa, jonka yleinen suhteellisuusteoria ennustaa. Monet ihmiset yllättyvät kuullessaan, että gravitaatio on heikoin neljästä perusvoimasta. Yksinkertainen koe demonstroi tätä: tavallinen jääkaappimagneetti voi luoda tarpeeksi voimaa nostaakseen massansa koko planeetan luomaa gravitaatiovoimaa vastaan.

Gravitaatioaaltojen voidaan katsoa olevan monien gravitonien koherentteja tiloja, kuten sähkömagneettiset aallot ovat fotonien koherentteja tiloja. Hankkeet, jotka etsivät gravitaatioaaltoja, kuten LIGO ja VIRGO, ovat vasta alkamassa.

Gravitaatioaallon yksittäisen kvantin, gravitonin, havaitseminen on paljon hankalampaa.