جرافيتون

في نظريات الجاذبية الكمومية ، يُعدّ الجرافيتون جسيمًا أوليًا افتراضيًا ينقل قوة التفاعل الجاذبي، وهو كمّ من طاقة الموجات الثقالية . ^{[ 5 ]} لا توجد نظرية حقل كمومي كاملة للجرافيتونات نظرًا لمشكلة إعادة التطبيع الرياضية غير المحلولة في النسبية العامة . يتم تجنب هذه المشكلة في نظرية الأوتار ، التي تعتبر الجرافيتون حالة عديمة الكتلة لوتر أساسي، إلا أن هذه النظرية لم تحرز تقدمًا كافيًا.

إذا وُجد الجرافيتون، فمن المتوقع أن يكون عديم الكتلة لأن قوة الجاذبية لها مدى طويل جدًا ويبدو أنها تنتشر بسرعة الضوء. يجب أن يكون الجرافيتون بوزونًا ذو لف مغزلي -2 لأن مصدر الجاذبية هو موتر الإجهاد والطاقة ، وهو موتر من الرتبة الثانية (مقارنةً بفوتون الكهرومغناطيسية ذي اللف المغزلي 1 ، الذي مصدره التيار الرباعي ، وهو موتر من الرتبة الأولى). بالإضافة إلى ذلك، يمكن إثبات أن أي مجال عديم الكتلة ذي لف مغزلي 2 سيُنتج قوة لا يمكن تمييزها عن الجاذبية، لأن مجالًا عديم الكتلة ذي لف مغزلي 2 سيرتبط بموتر الإجهاد والطاقة بنفس طريقة تفاعلات الجاذبية. تشير هذه النتيجة إلى أنه إذا تم اكتشاف جسيم عديم الكتلة ذي لف مغزلي 2، فلا بد أنه الجرافيتون. ^{[ 6 ]}

يُفترض أن جسيمًا أوليًا غير مكتشف، يُطلق عليه اسم الجرافيتون، يتوسط التفاعلات الجاذبية . وتتوسط الجسيمات الأولية القوى الثلاث الأخرى المعروفة في الطبيعة: الكهرومغناطيسية بواسطة الفوتون ، والتفاعل القوي بواسطة الغلوونات ، والتفاعل الضعيف بواسطة بوزونات W وZ. ويبدو أن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات يصف هذه القوى الثلاث بدقة . في الحد الكلاسيكي ، ستؤول نظرية ناجحة للجرافيتونات إلى النسبية العامة ، والتي بدورها ستؤول إلى قانون نيوتن للجاذبية في حد المجال الضعيف. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

ناقش ألبرت أينشتاين الإشعاع الجاذبي الكمي في عام 1916، في العام التالي لنشره نظرية النسبية العامة . ^{[ 10 ] : 525.} صاغ الفيزيائيان السوفيتيان ديمتري بلوخينتسيف وفيودور غالبرين مصطلح "غرافتون" في عام 1934. ^{[ 3 ] [ 10 ]} أعاد بول ديراك استخدام المصطلح في عدد من المحاضرات عام 1959، مشيرًا إلى أن طاقة المجال الجاذبي يجب أن تأتي على شكل كمات. ^{[ 11 ] [ 12 ]} توقع بيير سيمون لابلاس توسط الجسيمات في التفاعل الجاذبي . ^{[ 13 ]} وكما توقع نيوتن وجود الفوتونات ، كانت سرعة "الغرافتونات" التي توقعها لابلاس أكبر من سرعة الضوء في الفراغ.${\displaystyle c}$، سرعة الجرافيتونات المتوقعة في النظريات الحديثة، ولم تكن مرتبطة بميكانيكا الكم أو النسبية الخاصة ، لأنه سبق هذه النظريات بقرن من الزمان.

على الرغم من افتراض أن الجرافيتونات عديمة الكتلة ، إلا أنها تحمل طاقة ، كما هو الحال مع أي جسيم كمومي آخر. ^{[ 15 ]} كما تحمل الجسيمات عديمة الكتلة طاقة الفوتون وطاقة الغلوون .

أو بدلاً من ذلك، إذا كانت الجرافيتونات ذات كتلة أصلاً ، فإن تحليل موجات الجاذبية قد أسفر عن حد أعلى جديد لكتلة الجرافيتونات . يبلغ طول موجة كومبتون للجرافيتون على الأقل1.6 × 10^ ¹⁶ متر  ، أو حوالي 1.6 سنة ضوئية ، وهو ما يتوافق مع كتلة جرافيتون لا تزيد عن7.7 × 10 ⁻²³ eV/ c ²  . ^{[ 16 ]} يتم حساب هذه العلاقة بين الطول الموجي وطاقة الكتلة باستخدام علاقة بلانك-أينشتاين ، وهي نفس الصيغة التي تربط الطول الموجي الكهرومغناطيسي بطاقة الفوتون .

على الرغم من أن الكشف الدقيق عن الجرافيتونات الفردية ليس محظورًا بموجب أي قانون أساسي، فقد اعتُقد أنه مستحيل باستخدام أي كاشف ذي جدوى فيزيائية. ^{[ 17 ]} والسبب هو المقطع العرضي المنخفض للغاية لتفاعل الجرافيتونات مع المادة. فعلى سبيل المثال، من المتوقع أن يرصد كاشف بكتلة كوكب المشتري وكفاءة 100%، موضوع في مدار قريب حول نجم نيوتروني ، جرافيتونًا واحدًا فقط كل 10 سنوات، حتى في ظل أفضل الظروف. وسيكون من المستحيل تمييز هذه الأحداث عن خلفية النيوترينوات ، لأن أبعاد درع النيوترينو المطلوب ستؤدي إلى انهياره في ثقب أسود . ^{[ 17 ]} وقد اقتُرح أن الاستشعار الكمي سيجعل الكشف عن الجرافيتونات الفردية ممكنًا. ^{[ 5 ]} وحتى الأحداث الكمية قد لا تشير إلى تكميم الإشعاع الجاذبي. ^{[ 18 ]}

رصدت عمليات الرصد التي أجراها تعاونا LIGO و Virgo موجات الجاذبية بشكل مباشر . ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} ورغم أن هذه التجارب لا تستطيع رصد الجرافيتونات الفردية، ^{[ 22 ]} إلا أنها قد توفر معلومات حول بعض خصائصها. فعلى سبيل المثال، إذا لوحظ أن موجات الجاذبية تنتشر بسرعة أبطأ من سرعة الضوء في الفراغ ( c )، فإن ذلك يعني أن للجرافيتون كتلة (مع ذلك، يجب أن تنتشر موجات الجاذبية بسرعة أبطأ من c في منطقة ذات كثافة كتلة غير صفرية حتى يمكن رصدها). ^{[ 23 ]} علاوة على ذلك، في وجود موجة جاذبية، ينبغي أن يكون من الممكن رصد (عن طريق التداخل أو تأثيرات الخفقان بعد خط تأخير) مؤشرات الانبعاث المحفز أو امتصاص الجرافيتونات باستخدام التقنيات الحالية. ^{[ 24 ]} وتضع عمليات رصد موجات الجاذبية حدًا أعلى لـ1.76 × 10 ⁻²³  إلكترون فولت/ c ² على كتلة الجرافيتون. ^{[ 25 ]}

توفر قياسات مسارات الكواكب في النظام الشمسي بواسطة مهمات فضائية مثل كاسيني وميسنجر حدًا أعلى مماثلًا لـ3.16 × 10⁻²³ إلكترون ^فولت  / ثانية² . ^{[ 26 ] لا يشترط أن} تتفق الموجات الثقالية مع جداول مدارات الكواكب: فهما يختبران جوانب مختلفة من نظرية محتملة قائمة على الجرافيتون. ^{[ 27 ] : 71}

قد تشير الملاحظات الفلكية لحركة المجرات، وخاصة مشكلة دوران المجرات وديناميكيات نيوتن المعدلة ، إلى أن الجرافيتونات لها كتلة غير صفرية. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

تعاني معظم النظريات التي تتضمن الجرافيتونات من مشاكل خطيرة. فمحاولات توسيع النموذج القياسي أو نظريات الحقل الكمومي الأخرى بإضافة الجرافيتونات تواجه صعوبات نظرية بالغة عند الطاقات القريبة من مقياس بلانك أو التي تتجاوزه . وتنشأ اللانهاية نتيجةً للتأثيرات الكمومية؛ فمن الناحية التقنية، لا يمكن إعادة تطبيع الجاذبية . ونظرًا لأن النسبية العامة الكلاسيكية وميكانيكا الكم تبدوان غير متوافقتين عند هذه الطاقات، فإن هذا الوضع غير مقبول من وجهة نظر نظرية.

أحد الحلول الممكنة هو استبدال الجسيمات بالأوتار . الأوتار عبارة عن حلقات أحادية البعد تتجنب التباعدات عن طريق تقليل تأثير التفاعلات الجاذبية. يظهر جسيم يُعرف باسم الجرافيتون في نظرية الأوتار، حيث تُوصف التفاعلات بعيدة المدى بواسطة النسبية العامة. لسوء الحظ، لم تُطوَّر نماذج قائمة على الأوتار إلا لعدد قليل من الأوتار ذات التفاعلات الضعيفة. ^{[ 30 ]}

• الجرافيتون المزدوج – جسيم افتراضي موجود في الجاذبية الفائقة 
• جرافيتينو – شريك خارق افتراضي للجرافيتون 
• الكهرومغناطيسية الجاذبية – أوجه التشابه بين معادلات ماكسويل ومعادلات أينشتاين للمجال 
• وحدات بلانك – وحدات تُعرَّف فقط بالثوابت الفيزيائية 
• الفراغ المستقطب – نظرية الجاذبية 
• نظرية الجرافيتون اللين – نظرية فيزيائية 
• القوى الساكنة وتبادل الجسيمات الافتراضية – التفاعل الفيزيائي في الفيزياء ما بعد الكلاسيكية 

• جرافيتون في برنامج "في عصرنا" على قناة بي بي سي