Почему существует поиск обменной частицы для гравитации?

Дополнение к ответам Даниэля Грумиллера и sb1:

Основное отличие гравитационного поля от других полей состоит в том, что согласно общей теории относительности гравитационное поле определяет пространство и время и, следовательно , определяет отношение событий. Правда, можно сделать «произвольное» расщепление некоторой линейной аппроксимации гравитационного поля на «плоский фон» и «волны», распространяющиеся на этом фоне. В принципе такого рода рассуждения являются нарушением самой идеи о том, что гравитационное поле определяет основу пространства-времени целостным образом, и это было предметом многих дискуссий, полезно ли это приближение.

Считается, что это установлено наблюдательными данными о том, что бизвездные системы теряют энергию точно так, как предсказывает «приближение гравитационных волн», как цитирует Дэниел Грумиллер.

Существование гравитонов — это предположение , основанное на предположении, что гравитационные волны обладают той же квантовой природой, что и классические волны, например, волны в классическом электромагнетизме. В основе этой гипотезы лежит идея о возможности расщепления гравитационного поля на часть, определяющую фон, и затем наличие гравитационных волн, распространяющихся на этом фоне и проявляющих такой же корпускулярно-волновой дуализм, как и другие волны. Тогда можно было бы рассматривать квантовые гравитационные эффекты в полуклассическом приближении.

Поскольку для этого нет никаких свидетельств наблюдений, эта гипотеза до сих пор является предметом споров.

Это разные сообщества физиков?

Некоторые твердо верят в существование гравитонов, некоторые думают, что квантовая гравитация нуждается в более серьезном концептуальном шаге, чем только гравитация, а некоторые делают и то, и другое, так что да, есть разные сообщества, верящие в разные вещи.

Объясняет ли теория относительности только часть истории о массах, действующих под действием гравитации?

Это объясняет все в классической обстановке с не слишком сильными силами, но не объясняет квантовые эффекты или то, что происходит, когда силы становятся настолько сильными, что возникают сингулярности.

Гравитация это сила или нет? Это только кажущаяся сила или нет?

Это сила, это кажущаяся сила в том смысле, что классическая ОТО говорит, что вы чувствуете ее, потому что живете в ускоряющейся системе отсчета. Оба утверждения справедливы в классической обстановке и не зависят от квантовой природы гравитации и, в частности, от существования гравитонов.

Может ли такая кажущаяся сила «генерировать» обменные частицы? Являются ли модели частиц обмена и геометрические модели разными взглядами на одну и ту же лежащую в основе истину?

Да, см. выше (геометрическая модель = классическая установка, обменная частица = полуклассическое приближение).

почему другие силы не могут быть объяснены аналогичным образом? Или это то, что происходит со всеми этими разговорами о малых дополнительных измерениях?

Гравитационное поле фундаментально отличается от других полей (см. выше), и это не имеет никакого отношения к дополнительным измерениям.

Я был бы признателен за любое освещение этого вопроса или предложенное чтение (предпочтительно на уровне «популярной науки» или на уровне бакалавриата).

Проблема в том, что если вы способны задать этот вопрос, вы уже выходите за рамки научно-популярного уровня. Я бы очень хотел порекомендовать вам вводное занятие по QFT и одно по GR, там вы получите лучший ответ на свой вопрос :-)

Общая теория относительности является чисто классической теорией, то есть она не принимает во внимание принцип неопределенности квантовой механики. Хотя это очень хорошее описание гравитации в больших масштабах, оно не должно быть хорошим описанием для очень малых масштабов, поскольку в этих очень малых масштабах нельзя игнорировать квантовые эффекты. Есть по крайней мере два случая, Большой взрыв и черная дыра, где ОТО предсказывает математические сингулярности. Это означает, что в таких ситуациях ОТО не может быть хорошим описанием гравитационного взаимодействия. Согласно квантовой механике, каждое классическое поле имеет квантовый аналог. Классическое Поле Максвелла, называемое электромагнитным полем, имеет квантовый аналог. Мы представляем себе электромагнитное взаимодействие частиц-посредников, называемых виртуальными фотонами, которые имеют спин 1. Эти виртуальные фотоны и есть частицы электромагнитного поля. Возмущения в этом поле называются электромагнитными волнами, которые согласно квантовой теории поля являются излучением реальных фотонов. Здесь нет противоречия. Это основная черта квантовой теории. Мы называем это корпускулярно-волновым дуализмом. Точно так же для гравитации квантовый аналог соответствующего классического поля можно рассматривать как состоящий из виртуальных гравитонов со спином 2. Эти виртуальные гравитоны опосредуют гравитационные взаимодействия. Когда испускаются настоящие гравитоны, мы называем это гравитационными волнами. Гравитоны — частицы-посланники гравитации. Опять же, здесь нет противоречия. Это основная черта квантовой теории. Мы называем это корпускулярно-волновым дуализмом. Точно так же для гравитации квантовый аналог соответствующего классического поля можно рассматривать как состоящий из виртуальных гравитонов со спином 2. Эти виртуальные гравитоны опосредуют гравитационные взаимодействия. Когда испускаются настоящие гравитоны, мы называем это гравитационными волнами. Гравитоны — частицы-посланники гравитации. Опять же, здесь нет противоречия. Это основная черта квантовой теории. Мы называем это корпускулярно-волновым дуализмом. Точно так же для гравитации квантовый аналог соответствующего классического поля можно рассматривать как состоящий из виртуальных гравитонов со спином 2. Эти виртуальные гравитоны опосредуют гравитационные взаимодействия. Когда испускаются настоящие гравитоны, мы называем это гравитационными волнами. Гравитоны — частицы-посланники гравитации. Опять же, здесь нет противоречия.

Во-первых, я хотел бы спросить, действительно ли кто-нибудь экспериментально ищет гравитон. Эффект был бы слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить с помощью современных технологий. Существует тесно связанное понятие «гравитационной волны», которая является «волной кривизны» в Общей теории относительности и которую ищут.

Вероятно, есть две основные причины ожидать, что идея гравитона будет иметь какое-то значение.

1. Гравитационная волна — это классическая волна, и все другие классические волны (как и в случае с электромагнетизмом) нашли форму частицы в квантовой теории и квантовой теории поля. Знакомая концепция здесь — «двойственность волновых частиц». Итак, ожидается, что в соответствии с теорией «квантовой гравитации» должен существовать гравитон. Этот момент сам по себе не наносит ущерба фундаментальной форме этой теории квантовой гравитации: она может быть все еще геометрической в ​​своих основаниях.

2. Уравнения, которые описывают квантовые частицы и поля, выраженные в обозначении, называемом «2-спинорная форма», имеют базовый паттерн и форму. Таким образом, электрон описывается уравнениями Дирака как$\phi_A$. Это относится к спину 1/2, что верно для электрона. Частицы/поля со спином 1 (например, Фотон) описываются как$\phi_{AB}$в этой форме уравнений Максвелла. Таким образом, шаблон продолжается с N метками A, B, ..., K, описывающими частицу со спином N/2. Уравнения общей теории относительности Эйнштейна, записанные в этой спинорной форме, имеют$\phi_{ABCD}$. Таким образом, это предполагает спин 2 — даже без какой-либо линеаризации или квантования и т. д.

Большая разница между уравнениями Эйнштейна и другими уравнениями с более низким спином заключается в том, что уравнения Эйнштейна нелинейны (представляющие кривизну пространства-времени), тогда как эти другие уравнения линейны (по сути, представляют линейное основное пространство). Таким образом, один фотон плюс один фотон равняется двум фотонам, но один гравитон плюс один гравитон не совсем равен двум гравитонам.

Арена, на которой продолжаются дебаты, — это квантовая гравитация, в которой разные лагеря придерживаются разных взглядов на природу любого лежащего в основе пространства. Эти дебаты отражены в некоторых других вопросах Stack.

Общая теория относительности, в настоящее время наша лучшая модель гравитации, не только предсказывает гравитационную силу как геометрический эффект, но также предсказывает существование гравитонов, «обменных частиц гравитацией».

Теория без гравитонов или гравитационных волн (я буду использовать их взаимозаменяемо) могла бы существовать, но, поскольку у нас уже есть косвенные доказательства существования гравитационных волн от пульсара Халса-Тейлора , маловероятно, что гравитонов не существует в Природе.

Мы увидим это в ближайшее десятилетие, так как передовой LIGO обязательно обнаружит гравитационные волны, если они существуют.