ГРАВИТАЦИО́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ГРАВИТАЦИО́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ элементарных частиц, наиболее слабое из всех известных фундаментальных взаимодействий, характеризуемое участием гравитационного поля (поля тяготения). По совр. представлениям, любое взаимодействие частиц осуществляется путём обмена между ними виртуальными (или реальными) частицами – переносчиками взаимодействия. В электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях переносчиками являются фотон, промежуточные векторные бозоны и глюоны соответственно. Для Г. в. вопрос о переносчиках не прост, и сама теория Г. в. занимает особое место в физич. картине мира.
Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила взаимодействия двух точечных масс (размеры которых малы по сравнению с расстоянием $r$ между ними) $$F_g=Gm_1m_2/r^2,\tag1$$где $m_1$, $m_2$ – массы частиц, $G$=6,67×10–11 м3/кг·с2 – гравитац. постоянная. Сила Г. в. двух протонов в 1036 раз меньше кулоновской силы электростатич. взаимодействия между ними. Это соотношение не изменяетcя и при учёте релятивистских эффектов вплоть до расстояний, равных комптоновской длине волны протона. Величину $m$ можно назвать «гравитационным зарядом». При таком определении «заряда» формула (1) совпадает с законом Кулона для взаимодействия электрич. зарядов. Гравитац. заряд пропорционален массе тела, поэтому, согласно второму закону Ньютона ($F=ma$), ускорение $a$, вызываемое силой (1), не зависит от массы ускоряемого тела. Этот факт, проверенный с большой точностью, называется эквивалентности принципом. В релятивистской теории Г. в. вследствие соотношения между массой и энергией ($E=mc^2$) гравитац. заряд пропорционален энергии, т. е. полной массе $m$, а не массе покоя, как в формуле (1). Это обусловливает универсальность Г. в. Нет такого вида материи, который имел бы нулевой гравитац. заряд. Именно это свойство Г. в. отличает его от др. фундам. взаимодействий элементарных частиц. Кроме того, при больших энергиях частиц Г. в. уже нельзя считать слабым. При энергии >1018 ГэВ гравитац. заряд частицы $E/c^2$ становится равным её электрич. заряду $e$, и при очень высоких энергиях Г. в. может стать основным.
Важнейшее свойство гравитац. поля состоит в том, что оно определяет геометрию пространства-времени, в котором движется материя. Геометрия мира не может быть задана изначально и изменяется при движении материи, создающей гравитац. поле (см. Тяготение). А. Эйнштейн сделал такой вывод из свойства универсальности Г. в. и построил релятивистскую теорию гравитации – общую теорию относительности (ОТО). Эксперименты подтверждают справедливость ОТО в случае слабых гравитац. полей (когда гравитац. потенциал по абсолютной величине много меньше $c^2$). Для сильных полей ОТО ещё не проверена, поэтому возможны и др. теории Г. в.
ОТО возникла как обобщение спец. теории относительности. Др. теории гравитации возникают как отражение успехов физики элементарных частиц – теоретической и экспериментальной. Напр., теория гравитации Эйнштейна – Картана – Траутмана (т. н. гравитация с кручением, Эйнштейн, А. Картан, А. Траутман, 1922–72) расширяет принцип эквивалентности в том смысле, что гравитац. поле в ней взаимодействует не только с энергией (тензором энергии-импульса) частиц, но и с их спином.
В т. н. $f–g$ теории гравитации К. Дж. Айшема, А. Салама и Дж. Стразди (1973) предполагается существование двух гравитац. полей: носителями одного из них являются безмассовые частицы со спином 2 (обычная, «слабая» гравитация ОТО), это поле взаимодействует с лептонами; др. поле переносится массивными частицами ($f$-мезонами) со спином 2 («сильная» гравитация) и взаимодействует с адронами.
Cкалярно-тензорная теория гравитации Бранса – Дикке – Йордана (К. Бранс, Р. Дикке, П. Йордан, 1959–61) явилась развитием идеи П. Дирака об изменении со временем фундам. физич. констант и констант взаимодействия.
А. Д. Сахаров выдвинул (1967) идею о гравитации как индуцированном взаимодействии, по аналогии с силами Ван дер Ваальса, которые имеют электромагнитную природу. В этой теории Г. в. – не фундам. взаимодействие, а результат квантовых флуктуаций всех др. полей. Успехи квантовой теории поля (КТП) сделали возможным вычисление индуцированной гравитац. постоянной $G$, которая в этом случае выражается через параметры этих квантовых полей.
Теория тяготения – классич. теория, квантовая теория гравитации ещё не создана. Необходимость квантования вызвана тем, что элементарные частицы – объекты квантовой природы, и поэтому соединение классич. взаимодействия и квантованных источников этого взаимодействия представляется непоследовательным.
Создание квантовой теории гравитации наталкивается на большие математич. трудности, возникающие вследствие нелинейности уравнений поля. Существует неск. методов квантования таких сложных математич. объектов; эти методы развиваются и совершенствуются (см. Квантовая теория тяготения). Как и в квантовой электродинамике (КЭД), при вычислениях появляются расходимости, однако, в отличие от КЭД, квантовая теория гравитации оказывается неперенормируемой. Здесь имеется аналогия с теорией слабого взаимодействия, которая тоже, взятая отдельно, вне связи с др. взаимодействиями, неперенормируема. Но объединение слабого и электромагнитного взаимодействий (на основе идеи о т. н. спонтанном нарушении симметрии) позволило построить единую перенормируемую теорию электрослабого взаимодействия. В этой связи большие надежды возлагаются на супергравитацию – теорию, в которой объединены все взаимодействия на основе суперсимметрии и в которой, кроме гравитонов (безмассовых частиц со спином 2, бозонов), имеются и др. переносчики Г. в. – фермионы, получившие назв. гравитино.
Интерес к созданию квантовой теории гравитации не является чисто академическим. Связь Г. в. со всеми видами материи и с пространственно-временны́м многообразием неизбежно приведёт в будущей квантовой теории к квантованию пространства-времени и к изменению наших взглядов не только на пространство и время на сверхмалых расстояниях и промежутках времени, но и на понятие «частицы», на процедуру измерений в микромире, а также к изменению структуры совр. теории элементарных частиц.
Некоторые контуры этих изменений уже просматриваются. Это прежде всего проблема расходимостей в КТП. Расходимость, напр., собств. энергии электрически заряженной частицы появляется уже в классич. электродинамике. Полная масса $M$ классич. заряженной тонкой сферы, имеющей заряд $e$ и размер $r_0$, равна $$M=M_0+e^2/2r_0c^2,\tag2$$где $M_0$ – затравочная масса. При $r_0→0$ масса $M$ становится бесконечной. Эта расходимость не устраняется и в квантовой теории, она становится только более слабой – логарифмической. Если учесть Г. в. и то, что оно зависит от полной массы $M$, расходимость собственной энергии исчезает уже в классич. теории.
К вопросу о расходимостях можно подойти с др. стороны. Взаимодействие в КТП представляет собой обмен виртуальными частицами сколь угодно больших энергий. Поэтому при интегрировании по этим энергиям получаются расходящиеся выражения. В ОТО частицы не могут быть точечными. Их минимальный размер определяется гравитационным радиусом $r_g$. Чем больше масса (энергия), тем больше гравитационный радиус: $$r_g=2GM/c^2.$$Если тело массы $M$ сжато до размеров, меньших $r_g$, то оно превращается в чёрную дыру размером $r_g$. В квантовой теории также есть предел локализации частицы – её комптоновская длина волны $l_C=\hbar /Mc$, которая, очевидно, не может быть меньше гравитац. радиуса. Поэтому появляется надежда, что в теории, учитывающей Г. в., промежуточные состояния со сколь угодно большими энергиями не возникнут и, следовательно, расходимости исчезнут. Макс. масса (энергия) частиц соответствует равенству $l_С=r_g$ и равна $M_{Pl}=\sqrt{\hbar c/G}≈10^{–5}$ г. Эта величина называется планковской массой, и ей соответствует планковская длина $l_{Pl}=\sqrt{\hbar G/c^3}≈10^{–33}$ см.
M. А. Марков предположил (1965), что могут существовать элементарные частицы массы $M_{Pl}$ и что эти частицы имеют максимально возможную для элементарной частицы массу. Он назвал эти частицы максимонами. Заряженные максимоны с массой $M=e/\sqrt{G}≈10^{–6}$ г Марков назвал фридмонами. Фридмоны и максимоны обладают рядом необычных свойств. Так, геометрия внутри этих частиц может существенно отличаться от геометрии снаружи, и можно представить такие фридмоны и максимоны, внутри которых находятся целые вселенные. Вполне возможно, что квантовые образования, подобные максимонам и фридмонам, определяли ранние этапы эволюции Вселенной и задавали начальный вакуум единого взаимодействия, которое при расширении Вселенной расчленилось, напр. посредством механизма спонтанного нарушения симметрии, на четыре взаимодействия, известные в настоящее время. Направление развития физики элементарных частиц не исключает, а, скорее, предполагает такую возможность.
Не только квантовая гравитация может оказать существенное влияние на теорию др. взаимодействий, несомненно и обратное влияние. Исследования КТП в искривлённом пространстве-времени, исследования испарения чёрных дыр и рождения частиц в космологии показывают, что КТП приводит к видоизменению уравнений Эйнштейна. В совр. объединённых теориях взаимодействия элементарных частиц плотность энергии вакуума может быть отлична от нуля и, следовательно, обладать собств. гравитац. полем. Доминантность этой плотности энергии ведёт к ускорению расширения совр. Вселенной. Наконец, в моделях многомерной гравитации процессы негравитационных взаимодействий происходят на 4-мерной бране (подпространстве) в многомерном пространстве-времени. При энергиях, подводящих частицу к границе браны, может наблюдаться нарушение лоренц-инвариантности, а Г. в. перестаёт быть слабым.
Всё это свидетельствует о том, что создание квантовой теории Г. в. невозможно без учёта других фундам. взаимодействий и, наоборот, теория др. взаимодействий не будет полна и свободна от внутр. противоречий без учёта Г. в. Достигнуть подобного объединения Г. в. с др. взаимодействиями, возможно, удастся в рамках интенсивно развивающейся теории струн. Исследованию такого объединения способствуют методы космомикрофизики, изучающей фундам. взаимосвязь микро- и макромира в сочетании её физич., космологич. и астрофизич. проявлений.