|
Предсказание Эйнштейна о безмассовых гравитонах
|
|
|
|
В Общей теории относительности Эйнштейна гравитационные взаимодействия определяются безмассовой частицей - гравитоном. Однако существует общий класс модифицированных теорий гравитации, которые наделяют гравитон массой. Каковы последствия существования массивных гравитонов?
|
|
|
|
Во-первых, наличие массы гравитона вызывает временную задержку в распространении гравитационных волн в виде скоплений гравитонов относительно скорости света. Во-вторых, во многих из этих модифицированных теорий гравитации массивный гравитон допускает гравитационные взаимодействия только на ограниченном расстоянии, обусловленном его квантово-механической комптоновской длиной волны. Эта длина волны определяется как h/mc, где h - постоянная Планка, m - масса гравитона, а c - скорость света. Для гравитона, масса которого на 40 порядков меньше массы протона, этот масштаб составляет 1,2 миллиарда световых лет, что составляет примерно десятую часть расстояния до края наблюдаемой Вселенной.
|
|
|
|
При наличии массивного гравитона гравитационное воздействие любого объекта экспоненциально подавляется ниже ньютоновского потенциала на расстояниях, превышающих комптоновскую длину волны гравитона. Это экспоненциальное подавление обычно называют в честь японского физика Хидеки Юкавы, получившего Нобелевскую премию в 1949 году за описание сильного взаимодействия как обмена массивными частицами, названными мезонами, которые демонстрируют такое же экспоненциальное подавление на комптоновской длине волны мезона.
|
|
|
|
|
|
|
В последние десятилетия было установлено множество ограничений на массу гравитона, основанных на различных наборах астрофизических данных, начиная от Солнечной системы и заканчивая Вселенной в целом. Совсем недавно при анализе данных о гравитационных волнах, полученных в ходе трех циклов наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, было использовано ограничение скорости распространения, чтобы вывести ограничение на массу гравитона, которое на 32 порядка меньше массы протона.
|
|
|
|
Теперь, благодаря идее, которая пришла мне в голову перед утренней пробежкой, я отправил на публикацию новую статью, в которой увеличил этот предел в 250 миллионов раз.
|
|
Ограничение массы гравитона
|
|
|
|
Моя идея проста. Наше движение относительно космической системы отсчета приводит к эффекту Доплера, благодаря которому космический микроволновый фон (CMB) кажется ярче в направлении, в котором мы движемся. Увеличенный поток реликтового излучения впереди нас аналогичен ощущению большей мокроты спереди по сравнению с задней частью при движении под дождем. Совсем недавно спутник "Планк" измерил этот эффект с исключительной точностью, что указывает на локальную специфическую скорость, составляющую около тысячной доли скорости света относительно космической системы отсчета. Откуда берется эта скорость?
|
|
|
|
В хорошем приближении Вселенная однородна. Однако небольшие неоднородности плотности в ранней Вселенной со временем увеличивались и привели к образованию крупномасштабных структур, которые существуют сегодня. Сначала эти структуры сжались вдоль одной оси, образовав слои, похожие на блины. Их коллапс вдоль второй оси привел к образованию крупномасштабных нитей. В конечном счете, масса стекала вдоль третьей оси нитей, образуя связанные объекты, такие как галактики или скопления галактик.
|
|
|
|
Эти крупномасштабные концентрации массы притягивают и отталкивают нас относительно космической структуры. Они прослеживаются по распределению галактик, которые в более крупных масштабах ведут себя как пробные частицы. Обширный инфракрасный обзор галактик, получивший название 2MASS, позволил проследить распределение крупномасштабной структуры на расстоянии 1,2 миллиарда световых лет. Детальный анализ кластеризации вещества в наборе данных 2MASS показал, что притяжение и отталкивание совпадают с нашим измеренным движением относительно космической системы отсчета, но только в том случае, если суммарное гравитационное ускорение интегрируется как минимум в 1,2 миллиарда световых лет.
|
|
|
|
Мои расчеты показали, что если бы комптоновская длина волны гравитона была меньше 2,4 миллиарда световых лет, то соответствие между обзором 2MASS и диполем CMB было бы нарушено. Следовательно, я пришел к выводу, что масса гравитона должна быть на 41,3 порядка меньше массы протона, или, что эквивалентно, менее 10 в степени -64 грамма.
|
|
|
|
Этот новый предел на 8,4 порядка больше, чем предел ЛИГО-Девы-КАРГИ, и представляет собой наилучший предел Юкавы для массы гравитона на сегодняшний день.
|
|
|
|
Таким образом, весьма вероятно, что масса гравитона равна нулю. Это ожидалось в теории тяготения Эйнштейна от 1915 года, но не в более поздних теориях. Как и в случае с хорошим вином, иногда чем старше, тем лучше.
|
|
|
|
Источник
|
