시간의 문제

Problem of time

이론물리학에서 시간의 문제는 양자역학이 시간의 흐름을 보편적이고 절대적인 것으로 간주하는 반면,[1][2] 일반상대성이론은 시간의 흐름을 유순하고 상대적인 것으로 간주한다는 점에서 일반상대성과 양자역학의 개념적 충돌이다. 이 문제는 물리적인 의미에서 정말로 시간이 어떤 것인지, 그리고 그것이 과연 실제적이고 뚜렷한 현상인지에 대한 의문을 제기한다. 미시적 수준의 알려진 물리적 법칙이 단일한 방향을 필요로 하는 것 같지 않은데도 불구하고 왜 시간이 단방향으로 흐르는 것 같은지에 대한 관련 질문도 수반된다.[3] 거시적 시스템의 경우 시간의 방향성은 열역학 제2법칙과 같은 첫 번째 원칙과 직접적으로 연관되어 있다.

양자역학에서의 시간

고전역학에서는 시스템 자체의 외부에 있는 고전적 배경 매개변수로 취급된다는 점에서 특별한 지위를 시간에 할당한다. 이 특별한 역할은 양자역학의 표준 공식화에서 볼 수 있다. 그것은 잘 정의된 가치를 지닌 고전적 배경에서 주어진 선험적 배경의 일부로 간주된다. 사실 시간에 대한 고전적 처리는 양자역학의 코펜하겐 해석과 깊이 얽혀 있고, 따라서 양자론의 개념적 기초와 함께 모든 관측 가능성의 측정은 특정한 시간적 요인에서 이루어지며 확률도 그러한 측정에만 할당된다.

특수 상대성 이론은 시간의 개념을 수정했다. 그러나 고정된 로렌츠 관찰자의 관점에서 보면 시간은 구별되고 절대적이며 외부적이고 전지구적인 매개변수로 남아 있다. 뉴턴의 시간 개념은 본질적으로 특수 상대론적 시스템으로 이어지며, 스페이스타임 구조 속에 숨겨져 있다.

일반 상대성에서의 절대시간 뒤집기

비록 고전적으로 스페이스타임이 절대적인 배경인 것처럼 보이지만, 일반 상대성 이론은 스페이스타임이 실제로 역동적이라는 것을 보여준다; 중력은 스페이스타임 기하학의 표현이다. 물질은 스페이스타임과 반응한다.

스페이스타임은 어떻게 움직이는지, 스페이스타임은 커브하는 방법을 알려준다.

— John Archibald Wheeler, Geons, Black Holes, and Quantum Foam, p. 235[4]

또한, 스페이스타임은 그 자체와 상호작용할 수 있다(예: 중력파). 스페이스타임의 역동적인 특성은 광범위한 결과를 가지고 있다.

스페이스타임의 역동적인 성질은, 구멍의 논쟁을 통해, 그 이론이 차이점동형주의 불변이라는 것을 암시한다. 제약조건은 4차원 이론의 차이점형 불변성의 표준 이론에 각인된 것이다. 그들은 또한 해밀턴계가 똑같이 사라지기 때문에 이론의 역학관계를 포함하고 있다. 양자 이론은 명시적인 역학 관계가 없다; 파동 기능은 제약조건에 의해 소멸되고 디락 관측은 제약조건과 함께 통하며 따라서 운동의 상수다. 쿠차르는 "매년"이라는 아이디어를, 로벨리는 "부분적인 관찰 대상"이라는 아이디어를 소개한다. 물리적 상황에서는 이론의 일부 변수가 다른 변수들이 어떤 "시간"의 역할을 수행하며 관계적 방식으로 역동성을 정의하고 진화시킬 것으로 예상한다. 이것은 어려움에 부딪히고 표준 정량화에 있어서 "시간의 문제"의 한 버전이다.[5]

시간 문제에 대한 제안된 해결책

시간의 양자 개념은 양자 중력에 대한 초기 연구, 특히 1960년대 브라이스 드위트의 연구로부터 처음 나왔다.[6]

"다른 때는 다른 우주의 특별한 경우일 뿐이야."

즉, 시간은 모든 동일한 시계 판독치(올바르게 준비된 시계 또는 시계처럼 사용할 수 있는 물체)를 동일한 역사에 배치하는 얽힘 현상이다. 이것은 1983년 물리학자인 돈 페이지와 윌리엄 워터스에 의해 처음 이해되었다.[7] 그들은 조건부 확률 해석이라고 불리는 일반 상대성 이론과 같은 시스템에서 시간의 문제를 다루자는 제안을 했다.[8] 모든 변수를 시계처럼 양자 연산자에게 홍보하고, 다른 변수와 관련하여 조건부 확률 질문을 하는 것으로 구성된다. 그들은 얽히고설킨 양자 현상을 바탕으로 해결책에 도달했다. 페이지와 뷔터스는 양자 얽힘이 어떻게 시간을 측정하는데 사용될 수 있는지를 보여주었다.[9]

In 2013, at the Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) in Turin, Italy, Ekaterina Moreva, together with Giorgio Brida, Marco Gramegna, Vittorio Giovannetti, Lorenzo Maccone, and Marco Genovese performed the first experimental test of Page and Wootters' ideas. 그들은 시간이 내부 관찰자들에게는 긴급한 현상이지만 휠러-드위트 방정식이 예측하는 것처럼 우주의 외부 관찰자들에게는 없다는 것을 확인했다.[10][11][12]

호르헤 풀린과 로돌포 감비니에 의해 개발된 일관성 있는 디스커버리징 접근방식은 제약이 없다. 이것들은 양자 중력을 위한 격자 근사 기법이다. 표준적 접근법에서 어떤 사람이 운동의 제약조건과 방정식을 분간하면 결과적인 이산형 방정식은 일관성이 없다. 즉 동시에 해결할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 이론의 작용을 분간하고 운동의 이산 방정식을 다루는 기술을 사용한다. 이것들은 자동적으로 일관성이 보장된다. 양자 중력의 어려운 개념적 질문의 대부분은 이론의 제약조건 존재와 관련이 있다. 일관성 있는 탈증식 이론은 이러한 개념적 문제에서 자유롭고, 시간 문제에 대한 해결책을 제공하면서 단도직입적으로 계량화할 수 있다. 이것은 이것보다 조금 더 미묘하다. 제약이 없고 "일반 진화"가 있지만, 후자는 물리적으로 접근할 수 없는 이산 파라미터의 측면에서만 가능하다. 출구는 페이지-와 유사한 방식으로 다루어진다.Wooters가 다가오다. 그 아이디어는 시계가 될 물리적 변수들 중 하나를 선택하고 관계형 질문을 하는 것이다. 시계가 양자역학이기도 한 이러한 생각들은 실제로 양자역학의 새로운 해석, 즉 양자역학의 몬테비데오 해석으로 이어졌다.[13][14] 이 새로운 해석은 양자역학에서의 측정 과정에서 클럭의 양자역학적 성질에 기인하는 근본적 한계를 발동시켜 양자역학에서의 측정 문제에 대한 해결책으로서 환경적 정합성을 이용하는 문제를 해결한다. 이러한 제한은 시계를 시스템 자체의 자유도 중 하나로 받아들여야 하는 양자 중력으로서 일반적으로 공변량 이론의 맥락에서 매우 자연스럽다. 그들은 또한 블랙홀 정보 역설을 해결하기 위한 방법으로 이러한 근본적인 탈착을 내세웠다.[15][16] 어떤 상황에서는 물질 분야가 이론을 탈모수화하고 물리적인 해밀턴인을 도입하는 데 사용된다. 이것은 제약이 아니라 물리적인 시간 진화를 일으킨다.

축소된 위상 공간 정량화 제약조건을 먼저 해결한 후 정량화한다. 아인슈타인의 방정식에 대한 일반적인 해결책을 먼저 찾아야 할 것 같아 한동안 이 접근법은 불가능하다고 여겨졌다. 그러나 디트리히의 근사 계획(로벨리 사상에 기초하여 구축된)에 수반되는 사상의 사용으로 적어도 원칙적으로는 축소된 위상 공간 정량화가 실현 가능해졌다.[17]

Avshalom Elizur와 Shahar Dolev는 Quantum Lair와[18] 같은 양자역학 실험은 일관되지 않은 역사의 증거를 제공하며, 따라서 Spacetime 자체가 전체 역사에 영향을 미치는 변화의 대상이 될 수 있다고 주장한다.[19] 엘리츠르와 돌레브도 시간과 상대성 이론의 객관적인 통로가 조정될 수 있으며, 블록 우주와 상대성 이론과 양자역학의 갈등의 많은 문제를 해결할 것이라고 믿는다.[20]

이 스몰린이 제안한 시간의 문제에 대한 한 가지 해결책은 현재에 있는 두 사건이 서로 인과관계로 연관될 수 있는 '심각한 현재'가 존재하지만, 모든 시간이 영원히 존재하는 블록 우주 시각과는 대조적이다.[21] 마리나 코르테스와 리 스몰린은 특정 종류의 이산 동력학 시스템이 시간의 비대칭성과 불가역성을 보여주며 이는 시간의 객관적인 흐름과 일치한다고 주장한다.[22]

와일 시간(스케일-Invariant 양자 중력)

루프 양자중력에서의 이미르지 모호성과 기초입자 표준모델의 거의 일치불가침에서 동기 부여된 찰스 왕과 동료들은 시간의 문제가 중력-물질계의 기본적인 규모의 불활성화와 관련이 있을 수 있다고 주장해왔다.[23][24][25][26] 기본 커플링의 계층 문제를 해결하기 위한 규모 불변도 제안되었다.[27] 전지구적 연속 대칭으로서 스케일 불변성은 노에더의 정리에 따라 회화된 웨일 전류를[24][25] 생성한다. 스케일 인바리어스 우주론 모델에서 이 Weyl 전류는 자연스럽게 조화 시간을 만들어 낸다.[28] 루프 양자 중력의 맥락에서 찰스 왕 등은 스케일 불변성이 계량화된 시간의 존재로 이어질 수 있다고 제안한다.[24]

열시간 가설

주요 기사: 열시간 가설과 열역학

일반적으로 공변량 이론은 모든 것이 진화하는 것과 관련하여 현저한 물리적 시간에 대한 개념을 가지고 있지 않다. 그러나 이론의 완전한 제형과 해석에는 필요하지 않다. 역동적인 법칙은 예측하기에 충분한 상관관계에 의해 결정된다. 그러나 그 다음에는 어떻게 하면 우리가 의식적인 경험뿐만 아니라 우리가 살고 있는 거시적인 세계의 중요한 요소가 되기 위해 친숙한 시간의 개념이 시대를 초월한 구조에서 생겨나게 되는지를 설명하는 메커니즘이 필요하다.

열시간 가설은 이 문제에 대한 가능한 해결책으로 카를로 로벨리와 알랭 콘에 의해 고전론과 양자론 둘 다에 의해 제시되어 왔다. 그것은 물리적 시간 흐름은 이론의 기본적 특성이 주어진 선험적 특성이 아니라 열역학 기원의 거시적 특징이라고 가정한다.[29]

참조

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