¿Qué hacen los gravitones?

Del análogo de los diagramas de Feynman de la mecánica cuántica simple, el gravitón es lo que se intercambia por dos partículas para sentir una fuerza de atracción. Análogo al intercambio de un fotón por el electrón para interactuar con otro electrón.

diagrama de feynman de primer orden interacción electrón electrón

El diagrama análogo para la interacción gravitacional de dos electrones necesita un gravitón intercambiado. El problema es que esta simple analogía se rompe para propósitos de cálculo, en el caso del gravitón porque los diagramas de orden superior que en el caso del intercambio de fotones son mucho más pequeños y se desvanecen en órdenes muy altos (usando la renormalización), para el gravitón de espín dos divergen (no renormalizables) lo que lleva a una tontería. Por lo tanto, solo en principio se puede tomar la analogía, asumiendo que la cuantización teórica final de la gravedad se encargará de esto.

¿O los gravitones forman una especie de "campo" que le da gravedad a todo (como el campo de Higgs)?

En Quantum Field Theory, una teoría más elaborada en el estudio de las interacciones de partículas elementales;

Una QFT trata a las partículas como estados excitados de un campo físico subyacente, por lo que se denominan cuantos de campo. En cada punto del espacio (x,y,z,t) el campo es un operador que contará el número de excitaciones

Por ejemplo, la electrodinámica cuántica (QED) tiene un campo de electrones y un campo de fotones; la cromodinámica cuántica (QCD) tiene un campo para cada tipo de quark;

El campo es un operador en cada punto del espacio (x,y,z,t) que contará el número de excitaciones, por ejemplo el número de electrones, en ese punto del espacio.

En este marco habría un campo gravitónico subyacente análogo, y en la actualidad esto tiene los mismos problemas con las divergencias que las expansiones mecánicas cuánticas simples con los diagramas de Feynman.

La teoría de cuerdas tiene como objetivo unir todas las fuerzas en un modelo viable, pero aún se encuentra en la etapa de investigación. Una vez que esto suceda, la analogía con las otras fuerzas será legítima.

Creo que lo mejor es responder a la pregunta "¿Qué son los gravitones?" para saber lo que hacen.

En la teoría cuántica de campos, se construyen campos a partir de representaciones del grupo de Poincaré. El grupo de Poincaré tiene un subgrupo de rotación, por lo que los campos tienen ciertas propiedades de transformación bajo rotaciones, a las que nos referimos vagamente como el giro de la partícula. Desde este punto de vista, el gravitón es la única partícula que tiene masa cero y espín 2.

Cualquier partícula de espín 2 sin masa que interactúe debe ser descrita por la relatividad general. Uno encuentra que hay términos de interacción en la teoría que no son renormalizables. Contrariamente a las afirmaciones que se escuchan a menudo, esto no conduce a ningún problema en la teoría cuántica. Se puede volver a normalizar la teoría con cualquier precisión deseada en el contexto de la teoría del campo efectivo de baja energía, y la teoría resultante es lo suficientemente buena para describir todos los procesos gravitacionales que ocurren a energías inferiores a la escala de Planck.

Por lo tanto, en la teoría de baja energía, uno puede tratar a los gravitones como otras partículas portadoras de fuerza, con diferencias que provienen del hecho de que los gravitones tienen diferentes espines y se acoplan de una manera específica a la materia. Al igual que con otras partículas portadoras de fuerza, resulta útil distinguir entre gravitones "reales" (o "en el caparazón") y "virtuales" (o "fuera del caparazón").

Un gravitón "en el caparazón" es uno que podría ser emitido, por ejemplo, desde un púlsar binario inspirador. Estos gravitones obedecen a la relación de dispersión relativista$E^2 = p^2 c^2$, y puede viajar largas distancias. Cuando son reabsorbidos por algún otro objeto, como un detector en la Tierra, imparten impulso al detector, como si el detector fuera golpeado por algún objeto. Entonces, el punto es que los gravitones en la capa no conducen a fuerzas atractivas.

Los gravitones virtuales "fuera de la cáscara" conducen a la fuerza gravitatoria atractiva que se siente entre dos objetos. Estos gravitones están "fuera de la cáscara" en el sentido$E^2\neq p^2 c^2$. Por ejemplo, en el límite no relativista, el hecho de que dos electrones puedan dispersarse al intercambiar un gravitón virtual conduce a una$1/r^2$potencial sentido entre las dos partículas (como sería el caso para el intercambio de cualquier partícula sin masa).

Finalmente, para objetos muy masivos, uno podría pensar en ellos como si estuvieran rodeados por una nube de gravitones virtuales (o "vestidos"). Este vendaje gravitacional es responsable de la fuerza gravitacional de largo alcance que se siente entre dos objetos grandes, como la Tierra y el Sol.

Sí, sé que los gravitones son 'solo una teoría', pero me pregunto cómo actúan teóricamente.

Para hacer eco de la respuesta de Anna, pero poniéndolo más sin rodeos: no lo hacen . ¿ Y ven cómo John Rennie mencionó el artículo de Matt Strassler ? Vea esta línea: "Una partícula virtual no es una partícula en absoluto" . Los electrones y los protones no se lanzan fotones entre sí. Los átomos de hidrógeno no parpadean. Los fotones virtuales no son fotones reales de corta duración que aparecen y desaparecen como por arte de magia, y no son lo mismo que las fluctuaciones del vacío. En cambio, son "cuantos de campo". Es como dividir un campo electromagnético en pequeños trozos y decir que cada uno es un fotón virtual. Luego, cuando el electrón y el protón se atraen, intercambian campo, de modo que el átomo de hidrógeno resultante no tiene mucho campo electromagnético. Por lo tanto, puede ver la corrección subyacente de la idea del intercambio. Sin embargo, cuando dos átomos de hidrógeno se atraen gravitacionalmente, no intercambian campo. En lugar de que los dos campos (casi) se cancelen entre sí, son aditivos. Así que todo el concepto de intercambio de gravitones virtuales simplemente no funciona.

¿Están lloviendo sobre todo con masa para "empujar" otras cosas hacia él? ¿O los gravitones forman una especie de "campo" que le da gravedad a todo (como el campo de Higgs)?

Definitivamente no es lo primero. En cuanto a lo último, podría dividir un campo gravitacional en pequeños fragmentos y llamar a cada uno de ellos un gravitón virtual. Pero no hay pequeños trozos reales allí. Un campo gravitatorio en realidad no está hecho de gravitones, al igual que un campo electromagnético no está realmente compuesto de fotones.