중력자(graviton , 重力子)는 중력장의 전달자로 생각되는 가정의 양자이다
이것은 확립된 개념인 전자기장의 광자와 유사하다.
중력자는 광자와 같이 질량이 없으며 광속으로 움직이는 전하가 없는 입자이며, 항성과 같이 극히 질량이 큰 물체가 크게 가속할 때만 방출된다.
중력자가 거대한 항성의 반입자와 동등하다는 것은 명백하기 때문에 그것의 반입자는 항성이 되는 것이다.
양자장론에서, 중력자(重力子,: graviton, 그라비톤) 혹은 중력알은 중력을 매개하는 가상의 입자이다.
양자장론에서는 모든 장이 입자에 대응하는데, 중력자는 시공의 계량 텐서에 해당하며, 일반 상대성 이론에 따라 에너지-운동량 텐서와 상호작용한다. 모든 입자는 에너지를 지니기 때문에, 중력자는 모든 입자와 상호작용한다.
중력이 매우 약한 힘이어서, 중력자는 아직 실험적으로 관측할 수 없다. 그러나 중력자의 각종 성질을 이론적으로 유추할 수 있다. 중력은 작용 거리가 무한하기 때문에, 중력자는 (광자와 같이) 질량을 가지지 않고, 빛의 속력으로 움직인다. 또한, 계수가 2인 에너지-운동량 텐서와 연관되었기 때문에 스핀이 2이다. 전하 및 색깔은 지니지 않는다.
끈이론에서는 자연스럽게 스핀이 2인 입자가 존재하는데, 이를 중력자라고 여긴다. 역사적으로, 끈이론에서의 중력자의 존재는 끈이론이 단순히 강력을 다루는 이론이 아니라, 모든 힘을 다루는 이론이라는 재해석의 중요한 근거 가운데 하나였다.
-----------------------------------------------------------
자연계에 있는 다른 모든 힘들은 성공적으로 양자화가 이루어졌기 때문에 중력도 양자화된다고 가정하는 것은 자연스럽다.
양자화는 국소적인 위상 공간(phase space)상에서의 대칭, 다른 말로 게이지 대칭으로 인해 나타나는 현상이기 때문에 중력의 양자화는 중력의 게이지 이론화를 의미한다.
또한 그러한 중력의 게이지 이론은 중력의 게이지 입자, 즉 중력자의 존재를 요구한다.
중력자는 1930년 레온 로젠펠트에 의해 처음으로 게이지 이론적으로 기술되었다.
1939년 볼프강 파울리와 마르쿠스 피에르츠는 중력자의 스핀이 2 라는 것을 밝혀낸다.
아쉽게도 현재까지 그리고 앞으로도 오랫동안 중력의 진정한 양자화는 밝혀지지 않을 것으로 보인다.
이를 알아내려면 결국 실험으로 검증해야 하는데 이를 위해 필요한 게 원자보다 좁은 영역에 1019 GeV의 에너지를 집중시켜야 하는 것. 그렇다고 우주로부터 도움이 되는 신호가 오는 것도 아니니...
한편, 이론 쪽 상황을 보자면 아무래도 초끈이론이 유명하다.
초끈이론에서는 자연스럽게 스핀이 2이며 질량이 0인 입자가 존재하게 되는데, 이를 중력자라 여기고 있다.
이 입자의 존재를 예견한다는 점에서(이것 때문만은 아니지만), 초끈이론은 네 가지 기본 상호작용을 아우르는 모든 것의 이론의 후보로 지목된다.
중력의 작용거리가 무한하기 때문에 중력자는 질량, 색전하, 전하가 없어 광속으로 움직여야 한다.
색이나 전하값을 가지게 될 경우, 이론적으로 단독 중력자는 존재할 수 없게 된다.
만약 색전하를 띤다면 글루온 쌍과 같이 쌍을 이루어 움직임으로써 무색이 되거나, 글루온이나 쿼크와 상호작용해야 하는데, 이렇게 될 경우, 강한 상호작용에 묶여 상호작용 거리에 제한이 생긴다.
전하를 띨 경우에도 전자기력과 상호작용하기 때문에 마찬가지.
부연설명하자면, 중력자는 물체를 끌어당기는 입자가 아니다.
중력이 본질적으로 물체를 끌어당기는 힘이 아니라는 사실은 일반 상대성 이론을 통해 검증되어 있다.
중력자가 존재한다면 중력은 시공간이 휘어진 곡률이고, 중력자는 중력을 매개하는 것이지 시공간이 휘어 있기 때문에 우리가 감각으로 느끼게 되는 '끌어당기는 힘'을 매개하는 것이 아니다.
무슨 차이인가 싶겠지만 중요한 차이이다. 위에서 게이지 보손의 정체를 설명한 걸 다시 읽어 보자.
묘하게도 2016년 LIGO-VIRGO가 검출한 중력파와 많이들 헷갈려 한다.
그래도 중력파와 같이 중력 혹은 시공간의 왜곡을 어떤 파동과 같은 것으로 기술하기 시작하는 것으로부터 양자화가 시작되는 것인 점을 감안하면 아주 관련이 없다고 할 수 없겠지만 이 중력파만으로 중력의 양자화를 말하기는 어려운 게 사실이므로 중력자와는 엄연히 말해 다르다.
=====================================================================
