Откуда Земля знает, когда послать гравитон на только что родившуюся частицу?

Я боюсь, что рассказ, который вы прочитали, вводит в заблуждение, хотя это всего лишь один из многих таких вводящих в заблуждение рассказов. К сожалению, научно-популярная пресса часто вводит в заблуждение таким образом.

Если мы проквантуем гравитацию, используя обычный подход квантовой теории поля, то получим частицу, называемую гравитоном. Грубо говоря, гравитон является квантом гравитационной волны, т.е. когда гравитационная волна создается или поглощается, этот процесс включает создание и поглощение гравитонов. Эти гравитоны являются реальными частицами, которые несут энергию и импульс, и в принципе их можно обнаружить, хотя на практике их так трудно обнаружить, что маловероятно, что это когда-либо будет достигнуто.

Но, и это ключевой момент для понимания, эти настоящие гравитоны не участвуют в гравитационной силе. Когда две частицы испытывают гравитационное притяжение, оно не вызвано настоящими гравитонами.

Так что же происходит на самом деле?

Когда мы квантуем гравитацию, мы преобразовываем классическое гравитационное поле в квантовое поле. Это поле существует повсюду в пространстве-времени и может переносить энергию и импульс, и, в частности, оно может обмениваться энергией и импульсом с любой частицей, имеющей массу. Именно этот обмен и отвечает за гравитационную силу. Проблема в том, что уравнения, описывающие взаимодействие с полем, слишком сложны для точного решения, поэтому нам приходится прибегать к приближению, называемому теорией возмущений. В частности, мы описываем взаимодействие так, как если бы оно было вызвано виртуальными гравитонами, и вычисляем силу взаимодействия, учитывая все способы, которыми эти виртуальные гравитоны могут обмениваться энергией и импульсом.

Но но НО ...

Этих виртуальных гравитонов не существует — поэтому мы используем описание виртуальный . Это вычислительный трюк, который мы используем, чтобы обойти сложность уравнений. Гравитационная сила возникает не из-за роев виртуальных гравитонов, летающих туда-сюда между взаимодействующими массами. Если нам когда-нибудь удастся построить теорию квантовой гравитации, не основанную на приближенном пертурбативном подходе, тогда в этой теории не будет виртуальных гравитонов, и будущие поколения научно-популярных писателей должны будут найти какой-то другой способ ввести общественность в заблуждение.

В вашем примере только что созданная частица может сразу начать взаимодействовать с гравитационным квантовым полем, потому что квантовое поле существует везде в пространстве-времени, т.е. во всем пространстве и на протяжении всего времени. Частице не нужно ждать, пока какая-то другая масса заметит ее присутствие и начнет бросать в нее гравитоны.

Основополагающая структура природы, насколько мы обнаружили и смоделировали, является квантово-механической, и обмен частицами является частью квантово-механического моделирования.

В квантовой механике работают с волновыми функциями, чтобы вычислить вероятность взаимодействия, в вашем случае появление новой частицы при взаимодействии. Ваш вопрос можно было бы перефразировать так: «Как рассеяние протона на протоне на БАК знает, когда создать бозон Хиггса». Знания на уровне частиц содержатся в математических моделях, которые до сих пор успешно описывали данные физики элементарных частиц.

Гравитационным взаимодействием обычно пренебрегают, а при расчете потенциальных взаимодействий между налетающими частицами, чтобы увидеть, какова вероятность получения новой частицы, уравнения учитывают электромагнитный, либо слабый, либо сильный потенциалы, так как гравитационный очень и очень маленький по сравнению. 10^-33 слабого взаимодействия.

Если можно вычислить с такой точностью и если предполагается эффективное квантование гравитации, то следует включить гравитационный потенциал в расчет волновых функций, что даст вероятность появления новой частицы. Были бы схемы с обменом гравитонов.

Таким образом, ответ заключается в том, что гравитационное поле Земли заменит виртуальный гравитон на вновь созданную частицу, экспоненциально увеличивая сложность при мышлении в терминах диаграмм Фейнмана и обмена частицами.

Нет необходимости вдаваться в подробности из-за очень малого эффекта гравитации на уровне частиц. Только в очень специальных экспериментах квантовая механика вступает в гравитационные взаимодействия:

Дискретные квантовые свойстваматерии проявляются в различных явлениях. Любая частица, попавшая в достаточно глубокую и широкую потенциальную яму, оседает в квантовых связанных состояниях. Например, существование квантовых состояний электронов в электромагнитном поле определяет структуру атомов, а квантовые состояния нуклонов в сильном ядерном поле порождают структуру атомных ядер. Аналогичным образом гравитационное поле должно приводить к образованию квантовых состояний. Но сила гравитации чрезвычайно слаба по сравнению с электромагнитной и ядерной силой, поэтому наблюдение квантовых состояний материи в гравитационном поле чрезвычайно сложно. Из-за нейтральности заряда и длительного времени жизни нейтроны являются многообещающими кандидатами для наблюдения такого эффекта. Здесь мы сообщаем об экспериментальных доказательствах гравитационных квантовых связанных состояний нейтронов. Частицам позволяют падать в сторону горизонтального зеркала, которое вместе с гравитационным полем Земли обеспечивает необходимую ограничивающую потенциальную яму. В таких условиях падающие нейтроны не движутся непрерывно по вертикали, а прыгают с одной высоты на другую, как предсказывает квантовая теория.