Гравитон — частица, которую еще никто не видел

Гравитация всегда была самой загадочной из всех фундаментальных сил природы. Мы чувствуем ее каждую секунду — ведь именно она удерживает нас на Земле, заставляет падать яблоки, управляет движением планет, звезд и галактик. Однако в мире элементарных частиц для нее до сих пор нет полноценного «строительного кирпичика». Именно таким кандидатом считается гравитон — гипотетическая частица, которая должна переносить гравитационное взаимодействие.

Что такое гравитон?

Если электромагнитное поле передается фотонами, а сильное взаимодействие — глюонами, то для гравитации физики предложили частицу-переносчика с особыми свойствами. Гравитон, согласно теоретическим моделям, должен обладать следующими характеристиками:

• Быть безмассовым — чтобы объяснять бесконечный радиус действия гравитации. Масса бы ограничила дальность взаимодействия, как это происходит, например, в случае слабого взаимодействия, переносимого массивными W- и Z-бозонами.
• Двигаться со скоростью света — поскольку гравитационные возмущения (например, гравитационные волны) распространяются именно с этой скоростью, как это предсказала общая теория относительности Эйнштейна.
• Иметь спин 2 — это ключевое отличие от других частиц-переносчиков: фотон имеет спин 1, нейтрино — спин 1/2. Спин 2 необходим для описания того, как гравитация искривляет пространство-время, а не просто притягивает массы, как в классической механике Ньютона.
• Не иметь электрического заряда — потому что гравитация действует на все, что имеет энергию или массу, независимо от его электрических свойств.

Таким образом, гравитон должен быть бозоном — целочисленно-спиновой частицей, как и другие переносчики фундаментальных взаимодействий. Он бы стал четвертым представителем этого семейства, дополнив фотон, глюоны и W/Z-бозоны.

Почему он так важен?

Современная физика разделена на два больших столпа:

1. Квантовая теория поля — чрезвычайно успешная теория, описывающая три фундаментальные силы: электромагнитную, слабую и сильную. Все они объединены в Стандартную модель, где взаимодействия происходят через обмен виртуальными частицами-переносчиками.
2. Общая теория относительности Эйнштейна — великолепно описывает гравитацию как геометрию пространства-времени, искривленную массой и энергией. Она безупречно работает на астрономических масштабах: от движения планет до эволюции Вселенной.

Но эти две теории несовместимы. Квантовая теория требует дискретности, вероятностей и квантовых флуктуаций. Общая теория относительности — это классическая, детерминированная геометрия. Когда пытаются применить квантовые методы к гравитации, возникают бесконечности, которые невозможно устранить стандартными способами (ренормализацией).

Гравитон мог бы стать мостом между этими двумя мирами. Его существование — необходимое условие для построения квантовой теории гравитации, которая объяснила бы:

• поведение пространства-времени внутри черных дыр;
• состояние Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва;
• природу сингулярностей;
• возможную квантовую структуру пространства-времени на планковских масштабах (~10⁻³⁵ метров).

Без гравитона — или без эквивалентной квантовой картины — мы наверно не сможем создать «теорию всего» — единую картину мира, в которой все силы природы будут описаны одним набором законов.

Есть ли доказательства?

Пока — нет прямых доказательств существования гравитона.

Причина проста: гравитация невероятно слаба по сравнению с другими силами. Например, магнитик на холодильнике весом в несколько граммов легко преодолевает гравитационное притяжение всей Земли. Чтобы обнаружить один квант гравитационного поля, нужно было бы зарегистрировать взаимодействие, которое в миллиарды миллиардов раз слабее, чем самые чувствительные детекторы сегодня способны измерить.

В 2015 году лаборатория LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, вызванную слиянием двух черных дыр. Это было грандиозным подтверждением общей теории относительности. Теоретически, гравитационные волны можно рассматривать как макроскопический поток гравитонов, подобно тому, как электромагнитная волна — это поток фотонов.

Однако здесь важно понимать:

Гравитационные волны — это классическое явление, аналогичное волнам на воде. Гравитоны — это их квантовые «атомы».

Мы видим волну — но не видим отдельные молекулы воды. Так же мы пока не можем «увидеть» отдельные гравитоны. Их обнаружение потребовало бы детектора размером с планету, или сверхчувствительных экспериментов на энергиях, недоступных даже будущим ускорителям.

Аналогия с фотоном

Чтобы представить роль гравитона, удобно использовать аналогию с фотоном. Когда вы смотрите на лампу, вы воспринимаете свет как непрерывный поток — но на самом деле это триллионы фотонов, приходящих к вашему глазу каждую секунду. Каждый фотон слишком мал, чтобы его можно было заметить в одиночку — но вместе они создают яркий эффект.

То же самое, предположительно, происходит с гравитацией. Мы ощущаем силу тяжести как плавную, непрерывную силу — но если гравитон существует, то на самом деле мы испытываем коллективное действие огромного числа виртуальных гравитонов. Эти частицы не могут быть напрямую наблюдаемы — как нельзя увидеть отдельный фотон, когда вы читаете эту строку. Но их совокупность может создавать всю ту физику, которую мы знаем.

А вдруг гравитона нет?

Не все физики уверены, что гравитация обязана иметь частицу-переносчик. Возможно, это явление принципиально отличается от остальных сил и не поддается квантовому описанию. Некоторые альтернативные подходы предлагают:

• Циклические модели Вселенной, где гравитация — следствие более глубокой структуры пространства;
• Теории петлевой квантовой гравитации, где пространство-время само состоит из дискретных «атомов» — без необходимости в гравитоне как частице;
• Эмерджентную гравитацию, где гравитация — не фундаментальная сила, а термодинамическое или энтропийное явление (как в гипотезе Эрика Верлинде);
• Струнные теории, где гравитон появляется естественно как одно из состояний вибрации струны — но эта теория пока не проверена экспериментально.

Таким образом, гравитон — это не единственный возможный путь, а самый привлекательный и наименее радикальный. Он позволяет сохранить успехи квантовой теории поля и просто добавить одну новую частицу — вместо того чтобы перестраивать всю физику с нуля.

Гравитон — символ поиска единства

Гравитон — это частица, которую никто еще не обнаружил. Ни в коллайдерах, ни в космических наблюдениях, ни в лабораторных экспериментах. Но его поиск стал одним из главных направлений современной теоретической физики.

Он — не просто еще одна частица в таблице. Он — ключ к объединению микромира и макромира, к пониманию того, как рождалась Вселенная, что происходит в центре черной дыры и как устроено само пространство-время на самых малых масштабах.

Если гравитон будет обнаружен — это станет величайшим открытием в физике XXI века, как минимум равным по значимости открытию бозона Хиггса или гравитационных волн. Если же его не окажется — это значит, что нам нужно полностью переосмыслить природу реальности.