Co odpowiada za grawitację?

Pytanie

Pyta Hubert

Co odpowiada za grawitację? Czytałem, iż czasoprzestrzeń wg Einsteina miała być ''płachtą'', na której rozmieszczone są planety, gwiazdy itp. i to one zakrzywiają czasoprzestrzeń. Ale w wielu kwantowych teoriach grawitacji pojawia się grawiton. Czy to znaczy, że istnieje także antygrawiton, a co za tym idzie antygrawitacja? Jeżeli tylko taka cząstka istnieje. Proszę też o podaniu innych teorii grawitacji.

Odpowiedź

Odpowiada prof. Piotr Sułkowski

Rzeczywiście, według teorii Einsteina, czyli Ogólnej Teorii Względności, za oddziaływanie grawitacyjne odpowiedzialne jest zakrzywienie czasoprzestrzeni, o której (oczywiście w uproszczeniu) można myśleć jak o wspomnianej „płachcie”; to zagadnienie w naszym portalu pojawiło się np. tutaj. Natomiast należy podkreślić, iż Ogólna Teoria Względności jest teorią klasyczną — podstawowymi obiektami w niej rozważanymi są tzw. „pola”, czyli (w dużym uproszczeniu) funkcje określone w całej czasoprzestrzeni (takie „pola” są obiektami analogicznymi np. do pola elektrycznego, które też jest określone w całej (czaso-)przestrzeni; w każdym punkcie przestrzeni można podać wartość takiego pola). Podstawowym „polem” w teorii względności, które opisuje geometrię czasoprzestrzeni jest tzw. metryka — w szczególności można o niej myśleć jak o niewiadomej w równaniach Einsteina (analogicznie jak o polu elektrycznym można myśleć jak o niewiadomej w równaniach Maxwella elektrodynamiki klasycznej). Rozwiązując równania Einsteina można otrzymać szukaną postać metryki, która określa jak pozakrzywiana jest wspomniana płachta/czasoprzestrzeń.

Z kolei grawiton jest obiektem, którego istnienie jest postulowane w kwantowych teoriach grawitacji. Kilka takich teorii zostało dotychczas zaproponowanych, ale pomimo trwających nad nimi intensywnych badań, żadna z nich nie została jak dotąd potwierdzona doświadczalnie — dlatego też należy taktować zarówno te teorie, jak też istnienie grawitonu, jako hipotezy badawcze. Grawiton miałby być tzw. kwantem pola grawitacyjnego — czyli „elementarną”, niepodzielną „dawką” takiego pola, którą można zaobserwować jako pojedynczą cząstkę, natomiast uśrednienie wielkiej ilości takich grawitonów umożliwia (w odpowiednim przybliżeniu) ich klasyczny opis, jako pola określonego w całej przestrzeni.  (Znowuż jest to analogiczne do elektrodynamiki — w kwantowej wersji elektrodynamiki kwantem pola elektromagnetycznego jest foton, który można zaobserwować jako cząstkę elementarną.)

W przypadku grawitonu tak się składa, że jest on sam dla siebie antycząstką — a zatem z jego istnieniem nie byłaby związana żadna „antygrawitacja”. W tym akurat nie ma nic zaskakującego — różne elektrycznie obojętne cząstki elementarne mogą być swoimi własnymi antycząstkami (innym ważnym przykładem jest wspomniany wyżej foton, czyli kwant pola elektromagnetycznego — jest on sam swoją antycząstką, i nie ma w związku z tym żadnej dodatkowej teorii „anty-elektrodynamiki”).

Przykładami innych (hipotetycznych) teorii (kwantowej) grawitacji są teoria strun („string theory”), pętlowa kwantowa grawitacja („loop quantum gravity”), czy też teoria dynamicznych triangulacji („causal dynamical triangulations”).