Почему гравитоны не различают гравитацию и инерционное ускорение?

Гравитоны не являются посредниками гравитационной силы, и вы не можете обнаружить гравитоны, вспыхивающие между объектами, взаимодействующими гравитационно. Поскольку вы не можете обнаружить гравитоны, вы не можете использовать эти гравитоны, чтобы выяснить, является ли ускорение инерционным или гравитационным.

Часто говорят, что силы возникают из-за обмена виртуальными частицами, например, электромагнитная сила возникает из-за обмена виртуальными фотонами, а гравитационная сила из-за обмена виртуальными гравитонами. Но виртуальные частицы — это вычислительное устройство, и их на самом деле не существует. Те диаграммы Фейнмана, которые вы видели, показывая обмен виртуальной частицей, являются просто графическим представлением интеграла, называемого пропагатором, и не показывают физический процесс. Я не могу подчеркнуть это достаточно сильно:

Виртуальных частиц не существует !

Реальные гравитоны являются квантами гравитационных волн, точно так же, как реальные фотоны являются квантами световых волн, но реальные гравитоны не передают гравитационную силу больше, чем реальные фотоны передают электромагнитную силу.

Когда мы записываем четырехкратное ускорение некоторого наблюдателя, мы записываем его как сумму инерционного и гравитационного членов:

где первый член в правой части — это инерционная часть, а второй член — гравитационная часть. Однако ни один из членов в правой части не является тензором, поэтому оба изменяются, когда мы меняем систему координат. Фундаментальный принцип общей теории относительности заключается в том, что мы не можем различать два термина, поскольку любой из них можно сделать равным нулю, просто выбрав соответствующие координаты. Фактически это принцип эквивалентности, сформулированный математически.

Во-первых, в чистой общей теории относительности нет гравитонов , а есть только кривизна пространства-времени. Гравитоны — это квантовая частица, а ОТО — не квантовая теория. Будем надеяться, что какая-то теория квантовой гравитации объединит ОТО и квантовую теорию поля, но у нас пока нет успешной теории КГ. Так что мы не знаем, существуют ли вообще гравитоны, но, учитывая успехи квантовых теорий, не будет большим преувеличением сказать, что они, вероятно, существуют.

Однако, даже если КГ-теория утверждает, что гравитоны существуют, мы, возможно, не сможем обнаружить одиночные гравитоны напрямую, потому что (как упоминает Анна В.) они очень слабо взаимодействуют с другими частицами (и друг с другом). Достаточно сложно просто обнаружить мощные гравитационные волны. Если нам трудно увидеть настоящее гравитационное цунами, то как нам надеяться поймать хотя бы одну каплю этого цунами?

С другой стороны, вам не нужно искать гравитоны, чтобы отличить равномерное ускорение от гравитационного поля. Принцип эквивалентности является локальным: по сути, он говорит, что достаточно небольшой кусок искривленного пространства-времени выглядит приблизительно как плоское пространство-время. Реальное гравитационное поле не может быть везде идеально однородным. Поэтому, если вам разрешено проводить измерения в расширенной области пространства, вы можете легко обнаружить, что поле не является однородным.

Например, если вы находитесь в космическом корабле высотой 1 км в глубоком космосе, совершенно плавно ускоряющемся при 1g , то принцип эквивалентности говорит, что вы чувствуете себя точно так же, как если бы вы отдыхали на Земле. Однако на Земле, если вы подниметесь на 1 км, вы измерите немного меньшее гравитационное ускорение, тогда как на корабле ускорение в верхней части будет таким же, как и в нижней части.

На самом деле этот пример может немного ввести в заблуждение, поскольку в обоих случаях часы в верхней части идут медленнее, чем часы в нижней части, в соответствии с принципом эквивалентности. Альфред Центавр хорошо объясняет этот эффект в этом ответе . Это было известно на Земле в 1960 году в эксперименте Паунда-Ребки . Лучшей иллюстрацией будет случай, когда мы сбрасываем 2 массы. На ракете они оба падают прямо вниз. На Земле они оба падают к центру Земли, поэтому их пути слегка сходятся, как показано на этом анимированном изображении, любезно предоставленном Маркусом Пёсселем :

Это то, о чем вы говорите ?

В общей теории относительности принцип эквивалентности — это эквивалентность гравитационной и инертной масс, а также наблюдение Альберта Эйнштейна о том, что гравитационная «сила», воспринимаемая локально при стоянии на массивном теле (таком как Земля), такая же, как псевдо - сила, с которой сталкивается наблюдатель в неинерциальной (ускоренной) системе отсчета

Возьмем струнные теории, которые допускают квантование гравитации и имеют гравитон, и в то же время могут показать, что они совместимы с классической (неквантованной) общей теорией относительности, которая находится в стадии становления , пересматривается . Это две разные математические модели, каждая из которых действительна в своих переменных областях. Например, термодинамика возникает из статистической механики, никто не ожидает и не смешивает законы/принципы одной структуры с другой. Ожидается, что для всех структур будут выполняться только законы сохранения.

Мне нравится ответ Джона Ренни и Анны В, и я просто добавляю небольшое пояснение в этом случае, чтобы подчеркнуть одну тему.

Очень важно различать статическое (ГВ или ЭМ) поле и (ГВ или ЭМ) волну. Я верю, что это различие является ответом на ваш вопрос. Обнаружение гравитонов не поможет нам опровергнуть принцип эквивалентности, потому что:

1. эффекты гравитации в вашем случае вызваны статическим гравитационным полем, которое мы описываем с помощью виртуальных гравитонов. Эти виртуальные гравитоны представляют собой математическую модель. Не настоящие частицы (Обратите внимание, что на этом сайте идет дискуссия о том, могут ли эти виртуальные частицы стать реальными или нет, но в данном случае мы используем их как математическую модель). Они используются для описания явления воздействия статического гравитационного поля, включающего в себя таковое (ускорение и принцип эквивалентности) в вашем примере. То же самое относится и к статическим ЭМ полям, где мы используем виртуальные фотоны, которые описывают явление эффектов этого статического ЭМ поля.

https://en.wikipedia.org/wiki/Электромагнитное_поле

https://en.wikipedia.org/wiki/Гравитационное_поле

2. Существуют электромагнитные и гравитационные волны, состоящие соответственно из фотонов и гравитонов. Это не виртуальные фотоны или гравитоны. Мы уже обнаружили гравитационные волны, однако это не может считаться экспериментальным доказательством существования одиночных гравитонов.

https://en.wikipedia.org/wiki/Электромагнитное_излучение

https://en.wikipedia.org/wiki/Гравитационная_волна

Таким образом, ответ на ваш вопрос заключается в том, что даже если бы мы смогли обнаружить одиночные гравитоны, это не помогло бы доказать/опровергнуть принцип эквивалентности, потому что этот принцип описывает эффекты статического гравитационного поля.

В общих чертах, гравитационные волны излучаются объектами, движение которых включает в себя ускорение и его изменение, при условии, что движение не является идеально сферически симметричным (как расширяющаяся или сжимающаяся сфера) или осесимметричным (как вращающийся диск или сфера). Простой пример этого принципа — вращение гантели. Если гантель вращается вокруг своей оси симметрии, она не будет излучать гравитационные волны; если он кувыркается из стороны в сторону, как в случае двух планет, вращающихся вокруг друг друга, он будет излучать гравитационные волны. С технической точки зрения, вторая производная по времени от квадрупольного момента (или l-я производная по времени от l-го мультипольного момента) тензора энергии-импульса изолированной системы должна быть отличной от нуля, чтобы она могла излучать гравитационное излучение.

Теперь, пожалуйста, обратите внимание, что есть еще одно различие, которое необходимо сделать. Это ключевой момент в вашем вопросе. Чтобы создать настоящие гравитоны, чтобы создать гравитационные волны, вам нужен зависящий от времени квадрупольный момент (вторая производная по времени от тензора энергии-импульса должна быть отличной от нуля). Если и только если ваш космический корабль сможет это сделать, только тогда он сможет излучать гравитоны, и вы сможете их обнаружить. Теперь, если вы можете сделать космический корабль, и он может двигаться как гантель, которая кувыркается из стороны в сторону, он будет излучать гравитационные волны, состоящие из гравитонов, и вы сможете их обнаружить.

В классической теории поля движение частиц изменяет поле, как поле изменяет движение частиц. В квантовой теории обе стороны рассматриваются как одно и то же явление. Частицы, такие как фотоны и гравитоны, представляют изменения в поле из-за движения частиц «материи», и когда вы вносите изменения в один бит поля, он распространяется в другом месте, неся импульс, пока не сможет раскачать другую материальную частицу в другом месте. Так что на самом деле частица, несущая силу, — это просто еще один способ сказать, что поле находится в конфигурации, которая прикладывает силу к материи, проходящей через него, как если бы это была частица, с которой вы могли бы столкнуться.

Думайте об этом как о водной волне, заставляющей пробку подпрыгивать. Суть волны в том, что водная поверхность не неподвижна, поэтому ко всему, что на ней плавает, прикладывается сила. Синусоидально движущиеся волны воды толкают на что-либо в ней. Но вы можете получить такой же эффект со «статической волной», когда вода постоянно движется в одном и том же направлении, как река. Вода толкает пробку таким же образом, но это уже не колебательный эффект. Вы можете думать о реке как о пределе чего-то вроде бесконечно медленно меняющейся волны с бесконечно длинной длиной волны. Это как «виртуальная» волна. В каком-то смысле это математическая фантастика. С другой стороны, это совершенно правильное описание волновой физики, доведенной до определенной крайности.

Но движение реки относительно. Вы можете думать об этом так, будто либо вода движется мимо вас, либо вы можете двигаться мимо воды. Физика та же. Точно так же поле может выглядеть по-разному в зависимости от вашего состояния движения.

Итак, в случае гравитации большая масса искривляет пространство-время, чтобы приложить силу к материи, плавающей на его поверхности, подобно воде, стекающей по канализации. В случае вращения пространство-время кажется искривленным, как будто вы движетесь мимо воды, а не вода течет мимо вас.

В той мере, в какой кривизну пространства-времени можно описать в терминах гравитонов, и гравитация от массы, и центробежная сила от вращения составляют «гравитон», возмущение в кажущейся плоскостности пространства-времени одинаковым образом. Вы не можете их различить.

(Предупреждения: это очень свободная аналогия, гравитация на самом деле не работает как текущая жидкость. И гравитация еще не поддается количественной оценке. Я понимаю, что была ранняя попытка смоделировать ее как поле квантовой частицы со спином 2, названной «гравитон», но это не совсем сработало.)

Эта вторая запись в ответ на:

Почему гравитоны не различают гравитацию и инерционное ускорение?

Я нашел эту статью "Гравитационные волны: источники, детекторы и поиски", в которой приводятся данные (из ссылки) для гравитационных волн от искусственной гантели при заданном вращении.

представьте себе гантель, состоящую из двух компактных масс по 1 тонне с центрами, разнесенными на 2 метра и вращающихся с частотой 1 кГц вокруг линии, разделяющей пополам и ортогональной их оси симметрии, как показано на рисунке 2.

Обнаружение волн невозможно из-за их очень малой амплитуды.

Когда гантель не вращается, гравитационных волн нет, только ньютоновская гравитация от ее масс.

Обнаружение гравитационных волн покажет, есть вращение или нет. Можно было бы сказать, если бы массы находились в неинерциальной системе отсчета.

Таким образом, если бы гравитоны существовали и можно было бы обнаружить одиночные гравитоны, если бы две массы были частью космической станции, у сторонних наблюдателей был бы способ определить, есть ли вращение или нет. Конечно, было бы гораздо проще увидеть это с фотонами, как изменение местоположения в пространстве как функцию времени.

На языке квантовой теории поля гравитационная сила является самосвязью, что означает, что гравитоны несут гравитационный заряд и могут чувствовать гравитационное поле.

На языке общей теории относительности достаточно малые гравитационные волны представляют собой возмущения пространства-времени, движущиеся в искривленном фоновом пространстве-времени, и будут следовать нулевым геодезическим в этом пространстве-времени, что означает, что они будут искривляться в этом пространстве-времени точно так же, как свет.