양자 중력

Quantum gravity

양자중력(QG)은 양자역학의 원리에 따라 중력을 기술하고자 하는 이론물리학 분야로, 블랙홀이나 이와 유사한 소형 천체물체 부근 [1]등 양자효과를 무시할 수 없고 중성자 항성 등 중력의 영향이 강한 분야다.

물리학의 네 가지 기본 힘 중 세 가지는 양자역학과 양자장 이론의 틀 안에서 설명된다.현재 네 번째 힘인 중력에 대한 이해는 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 바탕을 두고 있는데, 이 이론은 고전 물리학의 전혀 다른 틀 안에서 공식화된다.그러나, 그 설명은 불완전하다: 일반적인 상대성 이론에서 블랙홀의 중력장을 기술하는 것은 블랙홀의 중심에서 갈라지기 위해 스페이스타임 곡률과 같은 물리적인 양을 이끈다.

이는 일반 상대성 이론의 붕괴와 일반 상대성을 넘어 양자까지 가는 이론의 필요성을 알리는 신호탄이다.블랙홀의 중심(플랑크 길이보다 좁음)에 매우 가까운 거리에서는 스페이스타임의 양자적 변동이 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.[2]이러한 양자 효과를 설명하기 위해서는 양자 중력 이론이 필요하다.그러한 이론은 설명이 중앙으로 더 가까이 확장되도록 해야 하며 심지어 블랙홀의 중심에 있는 물리학에 대한 이해도 가능하게 해야 한다.좀 더 형식적인 근거에서, 고전적인 시스템이 일관되게 양자 체계와 결합될 수 없다고 주장할 수 있다.[3][4]: 11–12

양자중력 분야는 활발하게 발전하고 있으며, 이론가들은 양자중력 문제에 대한 다양한 접근법을 탐구하고 있는데, 가장 인기 있는 것은 M이론과 루프 양자중력이다.[5]이 모든 접근법은 중력장의 양자 행동을 설명하는 것을 목표로 한다.여기에는 반드시 모든 근본적인 상호작용을 하나의 수학 체계로 통일하는 것은 포함되지 않는다.그러나 끈 이론과 같은 양자 중력에 대한 많은 접근법들은 모든 근본적인 힘을 설명하는 틀을 개발하려고 한다.그런 이론은 흔히 모든 것에 대한 이론이라고 한다.루프 양자 중력과 같은 다른 것들은 그러한 시도를 하지 않는다; 대신에 그들은 중력장이 다른 힘과 분리되어 있는 동안 중력장을 정량화하려고 노력한다.

양자 중력 이론을 형성하는 데 있어 어려움 중 하나는 양자 중력 효과가 플랑크 눈금 근처, 약 10미터의−35 길이 눈금에서만 나타나며, 이는 현재 고에너지 입자 가속기에서 이용 가능한 것보다 훨씬 더 작은 크기여서 훨씬 높은 에너지로만 접근이 가능하다는 것이다.따라서 물리학자들은 제안된[n.b. 1][n.b. 2] 경쟁 이론을 구별할 수 있는 실험 데이터가 부족하기 때문에 이러한 이론의 시험 도구로 사고 실험 접근법을 제안한다.[6][7]더욱이, 양자 중력 분야에는 몇 가지 개방된 질문이 있다. 예를 들어, 기초 입자의 스핀이 어떻게 중력을 발생시키는지와 사고 실험이 실험실 실험이나 물리적 관찰이 없는 경우에도 [8]이러한 질문에 대한 가능한 해결책을 탐구할 수 있는 길을 제공할 수 있는지는 알려져 있지 않다.

개요

물리학의 미해결 문제:

어떻게 양자역학 이론이 일반 상대성 이론/중력 이론과 융합되어 미시적인 길이의 척도로 정확한 상태를 유지할 수 있을까?양자 중력 이론은 어떤 검증 가능한 예측을 하는가?

(물리학에서 더 풀리지 않은 문제)
물리학 이론의 계층 구조에서 양자 중력의 위치를 나타낸 도표

이 이론들을 모든 에너지 척도에서 매료시키는 것의 많은 어려움은 이 이론들이 우주가 어떻게 작용하는지에 대해 만드는 다른 가정들에서 온다.일반 상대성 이론은 중력을 스페이스타임의 곡률로 모형화한다: 존 아치발트 휠러의 슬로건에서 "스페이스타임은 어떻게 움직이는지를 말하고, 물질은 어떻게 구부리는지를 스페이스타임에 알려준다."[9]반면에 양자장 이론은 일반적으로 특수 상대성 이론에서 사용되는 평평한 시간대에 공식화된다.양자역학으로 모델링된 물질의 역학이 스페이스타임의 곡률에 영향을 미치는 일반적인 상황을 설명하는 데 아직 성공한 이론은 없다.중력을 단순히 또 다른 양자장으로 취급하려 한다면, 그 결과 이론은 새로이 밝혀질 수 없다.[10]스페이스타임의 곡률을 선험적으로 고정시킨 더 간단한 경우에도 양자장 이론의 개발은 수학적으로 더 어려워지고, 물리학자들이 플랫 스페이스타임에 양자장 이론에서 사용하는 많은 아이디어는 더 이상 적용되지 않는다.[11]

양자 중력 이론이 블랙홀의 행동, 우주의 기원과 같은 매우 높은 에너지와 매우 작은 차원의 문제를 이해하게 해주기를 널리 희망하고 있다.[1]

양자역학과 일반상대성이론

중력 탐사선 B(GP-B)는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 적용하여 관련 모델을 시험하기 위해 지구 근처의 스페이스타임 곡률을 측정했다.

그라비톤

주요기사 : 그라비톤

중력을 제외한 모든 기초적인 힘이 하나 이상의 알려진 메신저 입자를 가지고 있다는 관찰은 연구자들을 중력을 위해 적어도 하나가 존재해야 한다고 믿게 한다.이 가상의 입자는 그라비톤으로 알려져 있다.이 입자들은 전자기 상호작용의 광자와 유사한 힘 입자의 역할을 한다.가벼운 가정 하에서 일반 상대성 구조는 이론적 스핀-2 무질량 입자의 상호작용에 대한 양자역학적 설명을 따를 것을 요구한다.[12][13][14][15][16]1970년대 이후 통일된 물리학 이론의 많은 통념들은 그라비톤의 존재를 어느 정도 추측하고 있다.와인버그-위튼 정리는 그라비톤이 복합 입자인 이론에 어느 정도 제약을 둔다.[17][18]그라비톤은 중력에 대한 양자역학 설명에서 중요한 이론적 단계지만, 그것들은 일반적으로 너무 약하게 상호작용하기 때문에 감지할 수 없는 것으로 여겨진다.[19]

비중확산불가능성

추가 정보:양자중력에서의 리노말화 및 점근안전성

일반 상대성 이론은 전자석과 마찬가지로 고전적인 장 이론이다.전자석과 마찬가지로 중력에도 상응하는 양자장 이론이 있어야 한다고 기대할 수 있다.

그러나 중력은 불안할 정도로 불안정하다.[4]: xxxvi–xxxviii, 211–212 [20]이 주제에 대한 이해에 따라 양자장 이론이 잘 정의되려면 점증적으로 자유롭거나 점증적으로 안전해야 한다.이론은 기본적으로 실험에 의해 설정될 수 있는 아주 많은 매개변수를 선택하는 것으로 특징지어져야 한다.예를 들어, 양자 전자역학에서 이러한 매개변수는 특정 에너지 척도로 측정된 전자의 전하와 질량이다.

한편, 중력을 계량하는 데 있어서 섭동 이론에는 이론을 정의하는 데 무한히 많은 독립적인 매개변수(반항 계수)가 필요하다.그러한 매개변수의 주어진 선택으로 이론은 이해할 수 있지만, 모든 매개변수의 값을 고정시키기 위해 무한 실험을 하는 것은 불가능하기 때문에 섭동 이론에서는 의미 있는 물리적 이론을 가지고 있지 않다는 주장이 제기되어 왔다.낮은 에너지에서, 무한히 많은 변수들의 알려지지 않은 선택에도 불구하고, 양자 중력은 일반적인 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 감소할 것이라는 것을 재기화 집단의 논리가 말해준다.한편, 양자효과가 차지하는 매우 높은 에너지를 탐사할 수 있다면, 무한히 많은 미지의 변수들 하나하나가 중요해지기 시작할 것이고, 우리는 전혀 예측을 할 수 없을 것이다.[21]

정확한 양자 중력 이론에서 무한히 많은 알려지지 않은 매개변수가 그 다음에 측정할 수 있는 유한한 숫자로 감소할 것이라는 것은 상상할 수 있다.한 가지 가능성은 정상적인 섭동 이론이 이론의 재생가능성에 대한 신뢰할 수 있는 지침이 아니며, 실제로 중력에 대한 UV 고정점이 있다는 것이다.이것은 비침전 양자장 이론의 문제이기 때문에, 무증상 안전 프로그램에서 추구되는, 신뢰할 수 있는 답을 찾는 것은 어렵다.또 다른 가능성은 매개변수를 구속하고 유한 집합으로 축소하는 새로운 미발견 대칭 원리가 있다는 것이다.이것은 끈 이론에 의해 취해진 경로로, 끈의 모든 배설은 본질적으로 새로운 대칭으로 나타난다.[22][better source needed]

유효장 이론으로서의 양자 중력

주요기사 : 유효장 이론

효과적인 분야 이론에서, 모든 것이 아니라, 비-레노멀라이블 이론의 무한 변수 집합 중 처음 몇 개만이 거대한 에너지 척도에 의해 억제되므로, 저 에너지 효과를 계산할 때 무시될 수 있다.따라서 적어도 저에너지 체제에서는 그 모델이 예측 양자장 이론이다.[23]또한, 많은 이론가들은 표준 모델이 큰 에너지 척도에 의해 억제되고 결과적으로 실험적으로 관찰되지 않은 "알 수 없는" 상호작용과 함께 효과적인 필드 이론 그 자체로 간주되어야 한다고 주장한다.[24]

일반상대성이론을 유효장 이론으로 다루면 실제로 양자 중력, 적어도 저에너지 현상에 대해 합법적인 예측을 할 수 있다.그 예는 두 질량 사이의 고전적인 뉴턴의 중력 전위에 대한 아주 작은 1차 양자-기계적 보정의 잘 알려진 계산이다.[23]

스페이스 백그라운드 의존성

주요기사 : 백그라운드독립성

일반 상대성 이론의 근본적인 교훈은 뉴턴 역학과 특수 상대성에서 발견되는 고정된 스페이스타임 배경은 없다는 것이다; 스페이스타임 기하학은 역동적이다.원칙적으로는 간단하게 파악할 수 있지만, 이것은 일반 상대성 이론에 대해 이해하기 위한 복잡한 생각이며, 그 결과는 심오하고 고전적인 수준에서도 충분히 탐구되지 않는다.어느 정도 일반 상대성 이론은 물리적으로 유일하게 관련되는 정보가 공간 시간에서 서로 다른 사건들 사이의 관계라는 관계 이론으로 볼 수 있다.[25]

반면 양자역학은 창시 이래 고정된 배경(비동적) 구조에 의존해 왔다.양자역학의 경우 뉴턴의 고전역학에서와 마찬가지로 동적으로 주어지는 것이 아니라 주어진 시간이다.상대론적 양자장 이론에서도 고전적 장 이론에서와 마찬가지로 민코프스키 스팩타임이 이론의 고정된 배경이다.

끈 이론

아원자계에서의 상호작용: 스트링 이론에서 닫힌 문자열로 쓸어올린 표준모델이나 세계시트의 점처럼 생긴 입자의 세계선

끈 이론은 비록 닫힌 문자열들 사이의 상호작용이 역동적인 방식으로 시공간을 발생시키기는 하지만 점 입자 대신 끈 같은 물체가 고정된 스페이스타임 배경에서 전파되는 양자장 이론의 일반화로 볼 수 있다.끈 이론은 양자 중력이 아닌 쿼크 구속 연구에 그 기원을 두고 있었지만, 곧 끈 스펙트럼에 그라비톤이 들어 있다는 사실이 밝혀졌고, 특정 진동모드의 끈 "응축"은 원래 배경을 수정한 것과 맞먹는다는 사실이 밝혀졌다.이러한 의미에서 끈 섭동 이론은 배경 의존의 약한 형태인 점증약물에 대한 강한 의존성을 보일 수 있는 섭동 이론의 정확한 특징을 나타낸다(예를 들어, ADS/CFT 대응에서 볼 수 있다.

백그라운드 독립 이론

루프 양자 중력은 배경 독립 양자 이론을 공식화하려는 노력의 결실이다.

위상 양자장 이론은 배경 독립 양자 이론의 예를 제공했지만, 국부적 자유도는 없었고, 세계적으로도 미세하게 많은 자유도만 있었다.이것은 일반 상대성 이론에 따라 국부적인 자유도를 갖는 3+1차원으로 중력을 묘사하기에 불충분하다.그러나 2+1차원에서 중력은 위상학장 이론이며, 스핀 네트워크를 포함한 여러 가지 다른 방법으로 성공적으로 정량화되었다.[citation needed]

반분류 양자중력

주요 기사:곡선스페이스와 반전사 중력의 양자장 이론

완전한 양자 중력 이론은 아니지만 곡선(비 밍코우스키안) 배경에 대한 양자장 이론은 많은 유망한 초기 결과를 보여주었다.20세기 초(물리학자들이 고전 전자기장에서 양자역학을 고려했을 때) 양자 전기역학의 발달과 유사한 방식으로, 곡선 배경에서 양자장 이론을 고찰한 결과 블랙홀 방사선 등 예측이 가능해졌다.

특정 가속 프레임에는 입자가 존재하지만 고정된 가속 프레임에는 존재하지 않는 Unruh 효과와 같은 현상은 곡선 배경에 대해 고려할 때 아무런 어려움이 없다(Unruh 효과는 평평한 Minkowskian 배경에서도 발생한다).진공 상태는 에너지가 가장 적은 상태(입자를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있음)이다.

시간의 문제

주요기사 : 시간의 문제

양자역학을 일반 상대성 이론과 결합하는 개념적 어려움은 이 두 프레임워크 내에서 시간의 대조적인 역할에서 발생한다.양자 이론에서 시간은 국가가 진화하는 독립적인 배경의 역할을 하며, 해밀턴 연산자는 시간을 통해 양자 상태의 극소역 번역의 생성자 역할을 한다.[26]대조적으로, 일반 상대성 이론은 시간을 물질과 직접 관련되는 역동적인 변수로 취급하며 더욱이 해밀턴의 제약조건은 사라져야 한다.[27]이러한 시간의 변동성은 거시적으로 관찰되었기 때문에 양자 이론에서 시간의 개념과 유사한 고정된 시간 개념을 거시적 수준에서 채택할 가능성을 배제한다.

후보 이론

제안된 양자 중력 이론은 여러 가지가 있다.[28]현재도 완전하고 일관된 양자 중력 이론이 없고, 후보 모델들은 여전히 주요한 형식적이고 개념적인 문제들을 극복해야 한다.그들은 또한 우주론적 관측과 입자물리학 실험의 미래 데이터가 이용 가능해지면서 이것이 변화할 것이라는 희망은 있지만 아직까지는 양자 중력 예측을 실험 실험에 투입할 방법이 없다는 공통적인 문제에 직면해 있다.[29][30]

끈 이론

주요 기사:끈 이론
칼라비 투영-Yau 매니폴드, 끈 이론에 의해 제시된 추가 치수를 압축하는 방법 중 하나

끈 이론의 중심 사상은 양자장 이론에서 점 입자의 고전적 개념을 1차원 확장 객체인 끈 이론의 양자 이론으로 대체하는 것이다.[31]현재 실험에서 도달한 에너지에서는 이러한 문자열은 점성 입자와 구별할 수 없지만 결정적으로 (전기 및 기타) 전하가 다른 입자로써 하나의 동일한 유형의 기본 문자열의 다른 진동 모드가 나타난다.이런 식으로 끈 이론은 모든 입자와 상호작용에 대한 통일된 설명이 될 것을 약속한다.[32]하나의 모드는 언제나 중력의 메신저 입자인 그라비톤에 해당한다는 점에서 이 이론은 성공하지만, 이 성공의 대가는 우주에 대한 일반적인 3차원, 시간의 1차원 외에 6차원의 추가 공간과 같은 특이한 특징들이다.[33]

제2차 슈퍼스트링 혁명이라고 불리는 것에서, 끈 이론과 일반 상대성 통일 그리고 초중력이라고[34] 알려진 초대칭 모두 M-이론이라고 알려진 가설의 11차원 모델의 일부를 형성하고 있는 것으로 추측되었는데, 이것은 독특하게 정의되고 일관된 양자 중력 이론을 구성하게 될 것이다.[35][36]그러나 현재 이해되고 있는 바와 같이 끈 이론은 소위 "끈 풍경"으로 구성된 매우 많은 수의 일관된 바쿠아(일부 추정에 의해 10500)를 인정하고 있다.이 대가족의 해결책들을 정리하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있다.

루프 양자중력

주요 기사:루프 양자중력
루프 양자 중력에 사용되는 유형의 단순 스핀 네트워크

루프 양자 중력은 스페이스타임이 역동적인 장이고 따라서 양자 물체라는 일반상대성이론의 통찰력을 심각하게 고려한다.그것의 두 번째 생각은 다른 필드 이론의 입자 같은 행동(예를 들어 전자기장의 광자)을 결정하는 양자 부식도 우주의 구조에 영향을 미친다는 것이다.

루프 양자 중력의 주요 결과는 플랑크 길이에서 공간의 세분화된 구조를 도출하는 것이다.이는 다음과 같은 고려사항에서 도출된다.전자석의 경우, 전장의 각 주파수의 에너지를 나타내는 양자 연산자는 이산 스펙트럼을 가진다.따라서 각 주파수의 에너지는 정량화되고, 정량은 광자(光子)이다.중력의 경우, 각 표면이나 우주 영역의 면적과 부피를 나타내는 연산자는 마찬가지로 이산 스펙트럼을 갖는다.따라서 공간의 어떤 부분의 면적과 부피도 정량화된다. 여기서 퀀타는 공간의 기본적인 퀀타이다.그 후, 그 스페이스타임은 플랑크 스케일에 기초적인 양자 세밀한 구조를 가지고 있어 양자장 이론의 자외선을 차단한다.

스팩타임의 양자 상태는 스핀 네트워크라고 하는 수학 구조를 이용하여 이론에 기술되어 있다.스핀 네트워크는 처음에는 로저 펜로즈에 의해 추상적인 형태로 도입되었고, 나중에는 카를로 로벨리와 리 스몰린이 일반 상대성성의 비주변적 정량화로부터 자연스럽게 도출해내도록 했다.스핀 네트워크는 스페이스타임에서 필드의 양자 상태를 나타내지 않는다. 즉, 스팩타임의 양자 상태를 직접적으로 나타낸다.

이 이론은 전기장과 자기장의 수학적 유사점을 이용하여 기하학적 중력을 나타내는 아슈테카 변수라고 알려진 일반 상대성 이론에 근거한다.[37][38]양자 이론에서 공간은 스핀 네트워크라고 불리는 네트워크 구조로 표현되며, 시간에 따라 별개의 단계로 진화한다.[39][40][41][42]

그 이론의 역학은 오늘날 몇 가지 버전으로 구성되어 있다.한 버전은 일반 상대성 이론의 정량화로 시작한다.슈뢰딩거 방정식의 아날로그는 휠러-디윗 방정식으로 이론 내에서 정의할 수 있다.[43]이 이론의 공변량 또는 스핀폼 공식에서 양자역학은 스핀폼이라고 불리는 이산 스페이스 버전에 걸쳐 합을 통해 얻어진다.이것들은 스핀 네트워크의 역사를 나타낸다.

기타 이론

양자 중력에 대한 많은 다른 접근법이 있다.일반 상대성 이론과 양자 이론의 어떤 특징을 그대로 수용하고 어떤 특징을 수정하느냐에 따라 이론이 달라진다.[44][45]예를 들면 다음과 같다.

실험시험

위에서 강조했듯이 양자 중력 효과는 극히 약하므로 시험하기 어렵다.이 때문에 1990년대 후반 이전에는 양자 중력을 실험적으로 실험할 가능성이 크게 주목받지 못했다.그러나, 지난 10년 동안 물리학자들은 양자 중력 효과에 대한 증거가 이론의 발전을 이끌 수 있다는 것을 깨달았다.이론적 발전이 더딘 만큼 실험 실험의 가능성을 연구하는 현상학적 양자중력 분야가 주목도를 높였다.[49]

양자 중력 현상학의 가장 널리 추구되는 가능성은 로렌츠 불변성의 위반, 우주 마이크로파 배경에서 양자 중력 효과의 각인(특히 양극화), 시공간 거품의 변동에[50][51][52] 의해 유도된 탈착성이다.[53]

ESA의 적분위성은 파장이 다른 광자의 양극화를 측정해 플랑크 규모보다 10m−48 이하, 즉 13배 이하의 공간의 미세화에 한계를 둘 수 있었다.[54][55]

BICEP2 실험은 초기 우주의 중력파에 의해 야기된 원시 B-모드 양극화라고 생각되었던 것을 발견하였다.그 신호가 사실 원시였다면 양자 중력 효과를 나타내는 지표일 수도 있었지만, 곧 그 양극화가 성간 먼지 간섭 때문이라는 것을 알게 되었다.[56]

참고 항목

메모들

  1. ^ 초기 우주의 양자적 영향은 예를 들어 현재 우주의 구조에 관측 가능한 영향을 미칠 수도 있고, 중력이 다른 힘을 통일하는 데 역할을 할 수도 있다.Cf. Wald가 위에 인용한 텍스트.
  2. ^ 스페이스타임 기하학의 정량화에 대해서는 플랑크 길이 문서(예: Planck length)를 참조하십시오.

참조

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추가 읽기

외부 링크