Ethan에게 물어보세요. 중력이 양자가 아닐 가능성이 있나요? 여러 세대에 걸쳐 물리학자들은 중력에 대한 양자 이론을 찾아왔습니다.

[힘힘]

Ethan에게 물어보세요. 중력이 양자가 아닐 가능성이 있나요?

여러 세대에 걸쳐 물리학자들은 중력에 대한 양자 이론을 찾아왔습니다. 하지만 중력이 실제로 양자가 아니라면 어떨까요?

양자 중력은 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자 역학을 결합하려고 시도합니다. 고전 중력에 대한 양자 보정은 여기 흰색으로 표시된 것과 같이 루프 다이어그램으로 시각화됩니다. 또는 중력이 항상 고전적이고 연속적이어서 일반 상대성이론이 아닌 양자장 이론을 수정해야 할 수도 있습니다.

출처 : SLAC 국립가속기연구소

주요 시사점

• 우주를 이해하려는 탐구에는 일반 상대성 이론, 중력 이론, 양자역학/양자장 이론 사이의 근본적인 비호환성을 해결해야 합니다.
• 일반 상대성 이론은 고전적인 이론입니다. 이 이론에서는 공간이 연속적이고 입자 위치와 운동량이 정확하게 결정되며 시간 역전 대칭입니다. 양자 이론은 그렇지 않습니다. 그것은 완전히 양자적입니다.
• 일반적인 접근 방식은 항상 중력을 양자화하여 다른 세 가지 기본 힘과 동일한 기반에 두는 것이었지만 어쩌면 그것이 틀렸을 수도 있습니다. 중력에 대한 새로운 "포스트퀀텀" 이론은 무엇을 말합니까?

에단 시겔

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20세기 물리학의 두 가지 가장 큰 도약은 여전히 ​​물리학자들로 하여금 근본적인 수준에서 두 가지가 공존할 수 있는 방법을 이해하기 위해 고군분투하고 있습니다. 한편으로는 아인슈타인의 일반 상대성 이론(GR)이 있는데, 이 이론은 공간을 그 안에 있는 모든 물질과 에너지의 존재로 인해 변형되고, 왜곡되고, 흐르고 진화할 수밖에 없는 연속적이고 매끄러운 배경으로 간주하는 동시에 동시에 배경의 곡률을 통해 그 안에 있는 모든 물질과 에너지의 움직임을 결정합니다. 반면에, 양자장 이론(QFT)에 의해 기본 수준에서 관리되는 양자 물리학이 있습니다. 양자 불확실성, 상태 중첩, 양자 비결정론(근본적으로 반고전적 개념)과 같은 아이디어를 포함하여 모든 양자 "이상함"이 해당 설명에 인코딩되어 있습니다.

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전통적으로 두 가지를 통합하는 접근 방식은 중력을 양자화하는 데 초점을 맞춰 중력을 다른 양자 힘과 동일한 기반에 두려고 시도했습니다. 그러나 조나단 오펜하임(Jonathan Oppenheim)이 이끄는 일련 의 새로운 논문은 매우 다른 접근 방식을 취합니다. 즉 고전 중력에 대한 "포스트퀀텀" 이론을 창안하는 것입니다. Patreon 지지자 Cameron Sowards와 Ken Lapre를 포함한 많은 사람들이 이에 대해 질문을 했습니다 .

“방금 출판된 고전 중력에 대한 양자후이론에 대한 당신의 생각을 보고 싶습니다.”

"물리학자가 아닌 사람들도 이해할 수 있도록 이 논문을 영어로 설명할 시간과 의향이 있습니까?"

중요한 것은 아직 초기 단계에 있다는 점입니다. 그렇다고 해서 고려할 가치가 없다는 의미는 아닙니다. 먼저 문제를 살펴본 다음, 이 큰 아이디어에 내재된 제안된 솔루션을 살펴보겠습니다.

일식 주위로 휘어지는 빛의 그림과 함께 아인슈타인 장 방정식의 벽화는 일반 상대성이론이 이론적으로 처음 제시된 지 4년 후인 1919년에 처음으로 검증된 관찰입니다. 아인슈타인 텐서는 왼쪽에 분해되어 표시됩니다. Ricci 텐서와 Ricci 스칼라로 변환하고 그 뒤에 우주 상수 항을 추가합니다. 새로운 이론에 대한 새로운 테스트, 특히 이전에 널리 퍼진 이론의 서로 다른 예측에 대한 테스트는 아이디어를 과학적으로 테스트하는 데 필수적인 도구입니다.

크레딧 : Vysotsky / Wikimedia Commons

일반 상대성 이론(GR)과 양자장 이론(QFT)이 양립할 수 없다고 흔히 말하지만, 많은 사람들이 그 이유를 이해하기 어렵습니다. 결국 중력에만 관련된 문제의 경우 GR만 사용하면 충분합니다. 그리고 양자 행동에만 관련된 문제의 경우 QFT만 사용하면(일반적으로 시공간에 대한 평면 배경을 가정) 충분합니다. 시공간이 더 심하게 휘어진 공간 영역에서 양자 행동을 고려할 때 유일한 문제가 발생할 것이라고 걱정할 수도 있으며, 이러한 체제에 직면하더라도 탈출구를 직관할 수 있습니다.

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예를 들어 왜 공간(또는 시공간)이 항상 GR의 법칙을 따르도록 할 수 없고 모든 양자 입자와 장이 해당 시공간 내에 존재하도록 할 수 없습니까? 우주? 이것이 스티븐 호킹을 포함해 많은 사람들이 취한 접근 방식입니다. 이는 그가 호킹 방사선의 악명 높은 효과를 도출한 방법입니다. 즉, 블랙홀의 사건 지평선 외부의 심하게 구부러진(고전적인) 시공간에서 양자장이 어떻게 행동하는지 계산함으로써입니다. 준고전적 중력으로 알려진 이 접근 방식은 많은 체제에서 유효하지만 여전히 모든 곳으로 이동할 수는 없습니다.

우리 우주에 존재하거나 생성되는 실제 블랙홀의 경우 주변 물질에서 방출되는 방사선과 흡입, 병합 및 링다운에 의해 생성되는 중력파를 관찰할 수 있습니다. 우리가 보는 전자기 복사는 사건의 지평선 자체 외부에서만 발생합니다. 블랙홀이 방출할 것으로 예상되는 호킹 복사는 현재까지 실제로 관측할 수 없습니다.

출처 : Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltech/MIT/LIGO

일반 상대성이 무너지고 말이 안되는 답을 제공하는 특이점이나 그 근처에서 무슨 일이 일어나는지 알려주지 않습니다. 예를 들어 플랑크 규모 이하의 가장 작은 규모에서 양자 변동이 있을 때 어떤 일이 발생하는지 알려주지 않습니다. 모든 변동은 작은 규모에서 에너지가 너무 커서 결국 블랙홀이 형성되어야 합니다. 그리고 본질적으로 양자적인 시스템에 대해 중력이 어떻게 작용하는지 알려주지 않습니다. 마지막 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 특이점에 매우 가까워지거나 플랑키안 규모를 조사할 수 있는 기술이 부족하기 때문에 우리는 항상 거대한(중력) 입자로 만들어진 시스템을 포함하여 본질적으로 양자 시스템을 다루기 때문입니다.

예를 들어, 이중 슬릿 실험을 생각해 보십시오. 개별 입자가 한 번에 하나씩이라도 매우 좁고 간격이 가까운 두 개의 슬릿에서 발사되는 경우입니다.

• 각 입자가 어느 슬릿을 통과하는지 측정하면 두 위치 중 하나에 감겨집니다. 하나는 슬릿 #1을 통과하는 경로에 해당하고 다른 하나는 슬릿 #2를 통과하는 경로에 해당합니다.
• 각 입자가 어느 슬릿을 통과하는지 측정하지 않으면 입자는 두 슬릿을 동시에 통과하는 것처럼 동작하여 그 과정에서 자신을 방해하고 확률적으로 반대편의 파동함수로 설명되는 위치에 착륙합니다.

이는 광자, 전자 또는 더 무거운 복합 입자에도 적용됩니다. 이중 슬릿 실험 내에서 이러한 동작은 바로 양자역학의 핵심입니다.

이중 슬릿을 통과하는 개별 전자와 같은 본질적으로 양자 시스템은 일반적으로 클래식 컴퓨터에서 시뮬레이션하는 데 계산 비용이 매우 많이 듭니다. 시뮬레이션과 계산이 진행되는 한 실질적이고 중요한 속도 향상을 제공하는 Quantum Advantage의 가장 큰 잠재력을 보유한 것은 이러한 유형의 시스템입니다.

크레딧 : Andrey VP / Adobe Stock

하지만 이제 좀 더 깊은 질문을 해보겠습니다. 중력은 어떻습니까? 이중 슬릿을 통과하는 거대 입자의 중력장은 어떻게 되나요?

입자가 어느 슬릿을 통과하는지 측정하면 답을 직관하기 쉽습니다. 입자의 중력장은 입자가 슬릿을 통과하여 뒤에 있는 스크린에 도달할 때 궤적을 따라 어느 지점에 있었는지에 해당합니다.

하지만 입자가 어느 슬릿을 통과하는지 측정하지 못한다면 어떻게 될까요?

이는 큰 도전입니다. 기존의 GR과 QFT만으로는 답을 얻을 수 없기 때문입니다. 중력장은 양자 역학적 실체가 기대하는 방식으로 분할되고, 자체적으로 간섭하고, 공간을 곡선화합니까? 마치 그것이 광범위한 공간 위치에 걸쳐 확률론적 파동 분포로 분포되어 있는 것처럼요? 이는 중력이 본질적으로 양자라는 것을 나타내는 것입니다. 반면에, 만약 그것이 단순히 잘 정의된 고전적 궤적을 따른다면, 그것은 중력이 본질적으로 양자가 아닐 뿐만 아니라 입자의 행동을 어떻게 생각하는지에 대해 엄청난 영향을 미칠 것입니다. 양자 물리학 깊숙이 묻혀 있는 일종의 숨겨진 결정론에 대한 증거를 제공합니다.

두 위치 중 하나에 있는 거대한 입자의 양자 상태가 있지만 상태의 얽힘/중첩이 아직 깨지지 않은 경우 중력 "테스트 입자"가 어떻게 끌어당길지에 대한 두 가지 가능성이 있습니다. 다른 하나는 왼쪽, 또는 평균값을 향한 오른쪽입니다. 이 실험은 수행되지 않았습니다.

크레딧 : J. Oppenheim, Phys. 개정 X, 2023

그러면 중력에 관해서는 어떤 일이 일어날까요? 이 아이디어는 1981년 Don Page와 CD Geilker의 논문 에서 처음 탐구되었습니다 . 그들은 상태 중첩의 방사성 납 질량, 즉 양자 시스템의 분리를 유발하는 가이거 계수기와 관련된 사고 실험을 만들었습니다. 또는 원할 경우 파동함수를 축소할 수도 있고) 중력을 받는 테스트 질량도 있을 수 있습니다. 가능한 결과는 위에 나와 있습니다.

• 테스트 질량이 왼쪽에 표시된 것처럼 중첩된 두 가지 가능한 최종 상태 위치 중 하나로 끌린다면 이는 양자 역학이 순전히 통계적 효과이고 충분히 질량이 큰 입자가 정해진 위치를 가지고 있음을 나타냅니다. 그에 따라 끌립니다.
• 오른쪽에 표시된 것처럼 테스트 입자가 중간 아래로 떨어지면 이는 준고전적 예측이 발생한다는 것을 나타냅니다. 테스트 질량이 취하는 "평균" 궤적이 입자의 중력 효과를 결정합니다.

얽힘이 깨지거나 상태의 중첩이 분리되기 전에 충분한 시간이 지나면 고품질 실험을 통해 왼쪽 경우와 오른쪽 경우를 구분할 수 있어야 하며 중력이 어떤지 여부를 알려주어야 합니다. 적어도 부분적으로는 양자적이거나(오른쪽의 경우) 중력이 완전히 결정론적인지(왼쪽의 경우에 해당). 불행하게도 이것은 우리가 아직 수행하는 방법을 아는 실험이 아닙니다. 그것은 단지 사고 실험일 뿐입니다.

이중 슬릿을 통해 양자 입자를 발사하고 어느 슬릿을 통과하는지 측정하지 않으면 뒤쪽의 스크린에 닿을 때까지 양자 방식으로 행동하여 간섭 패턴을 나타내는 확률 분포를 생성합니다. 도중에 중력을 측정하면 무슨 일이 일어날지는 아직 알 수 없습니다.

크레딧 : J. Oppenheim, Phys. 개정 X, 2023

다른 설정으로 유사한 사고 실험을 수행할 수 있습니다. 이번에는 입자가 이중 슬릿을 통과하여 자체 간섭을 하고 화면에 도착한다고 상상해 보십시오. 이러한 불확실한 위치에도 불구하고 입자와 관련된 잘 정의된(고정밀로 알 수 있는) 운동량이 있을 수 있습니다. 이 입자에 의해 생성된 중력장이 고전적이라면 중력장을 충분히 고정밀도로 측정하여 방해 없이 입자의 위치를 ​​결정할 수 있습니다. 그렇게 측정할 수 있다면 입자가 어느 슬릿을 통과했는지 밝혀내는 것만으로도 충분할 것입니다.

입자가 중첩되는 것을 방지하거나 두 가지 보완적인 특성(위치 및 운동량 등)을 너무 정확하게 알면 불확정성 원리를 위반하게 됩니다.

하지만 고전 장이 결정론적인 방식으로 양자 시스템에 반응하지 않는다면 어떻게 될까요? 중력장이 물질의 존재에 대해 비결정론적인 방식으로 반응한다면 어떻게 될까요? 우리는 아마도 그렇게 명시적으로 말하지 않고도 중력 자유도가 관련 입자의 위치에 대한 완전한 정보를 포함하고 있다고 가정했습니다.

그러나 그것은 절대적으로 사실이 아닐 수도 있습니다. 여기에는 부분적인 정보만 포함되어 있을 가능성이 있으며, 이것이 바로 오펜하임과 그의 현재 및 이전 학생들의 새로운 아이디어를 탐구할 가치가 있는 이유입니다.

블랙홀의 사건 지평선은 빛조차도 빠져나올 수 없는 구형 또는 타원체 영역입니다. 그러나 사건의 지평선 밖에서는 블랙홀이 방사선을 방출할 것으로 예측됩니다. 호킹의 1974년 연구는 이를 최초로 입증한 것이며 틀림없이 그의 가장 위대한 과학적 업적이었습니다. 이 치료는 시공간과 중력이 양자인지 아닌지에 의존하지 않지만, 중력을 반고전적으로 치료하는 것은 다양한 상황에서 병리학적 결과를 초래합니다.

출처 : NASA/Dana Berry, Skyworks Digital Inc.

오펜하임 자신도 그의 새 논문에서 다음 과 같이 언급하면서 다음과 같이 언급했습니다 .

"...시공간 측정법의 양자화를 요구하는 이전 주장은 이론이 결정론적이며 여기에서 고려되는 이론에 대한 장벽이 아니라고 암묵적으로 가정합니다."

그가 제시한 대안은 확률성(stochasticity)으로 알려져 있습니다. 실제로 그의 주요 논문과 관련된 논문은 이를 엄격하게 증명합니다. 즉, 고전 양자 역학에는 확률론이 필요하거나 상호 작용 방식의 고유한 부분으로 무작위 프로세스(보통 양자 시스템에만 해당한다고 생각함)가 포함되어야 한다는 것입니다.

이것이 오랜 역설인 블랙홀 정보 역설에 대해 무엇을 의미하는지 생각해 보십시오. 간단히 말해서, 이 역설은 블랙홀에 떨어져 블랙홀을 생성하는 입자가 정보의 한 형태인 입자 특성을 포함하고 있다는 사실에 관한 것입니다. 시간이 지남에 따라 블랙홀은 붕괴하고 흑체 복사, 즉 호킹 복사 방출에 의해 붕괴됩니다. 어느 하나:

• 정보는 파괴되지 않고 어떻게든 나가는 방사선으로 인코딩됩니다.
• 또는 정보가 파기(보존되지 않음)되는 경우

두 경우 모두 우리 모두가 답하고자 하는 가장 큰 질문은 '어떻게'입니다. 발생하는 것은 무엇이며, 어떻게 발생합니까?

블랙홀 표면에는 사건의 지평선 표면적에 비례하는 약간의 정보가 암호화되어 있을 수 있습니다. 블랙홀이 붕괴하면 열복사 상태로 붕괴됩니다. 그 정보가 살아남아 방사선에 암호화되어 있는지 여부, 만약 그렇다면 어떻게 되는지는 우리의 현재 이론이 답을 제공할 수 있는 질문이 아닙니다.

신용: TB Bakker/Dr. JP 반 데르 샤르(JP van der Schaar), 암스테르담 대학교

우주가 완전히 결정론적이라면 중력은 낮은 에너지에서 분해될 것입니다 .

중력이 준고전적이라면 순수 양자 상태(정보가 보존되는 상태)가 혼합 상태(정보가 손실되는 상태)로 진화하므로 정보 손실이 발생합니다 .

그러나 정보 손실 역설을 해결하려는 시도 중 중력 이론은 없었으며 중력을 포함할 때마다 항상 나타나는 문제 중 하나는 역반응 문제입니다. 양자 규모에서 발생하는 일이 시공간에 영향을 미칠 때 이러한 시공간 변화는 어떻게 다시 발생합니까? -매우 동일한 양자 척도에 영향을 미치는 것에 반응합니까?

이것이 바로 새로운 논문 세트에 관한 것입니다. 나는 새로운 아이디어의 구체적인 장점을 평가하는 피투성이의 세부 사항을 검토하고 싶지 않습니다. 왜냐하면 그것은 실제로 핵심 문제가 아니기 때문입니다. 근본적으로 새로운 아이디어를 제안할 때마다 다음과 같은 사람들이 많이 있을 것입니다.

• 처음에는 당신의 생각으로 적절하게 설명되지 않은 알려진 물리학의 특정 예/측면을 지적할 수 있는 병리학,
• 당신의 이론이 여러 가지 중요한 문제에 대해 말할 가치가 없는 불완전성,
• 그리고 초기 프레임워크 내에서 명백한 모순을 지적할 수 있는 완전한 실패입니다.

괜찮아요; 완전히 형성된 완전한 이론은 어떤 종류의 초기 작업의 범위를 훨씬 뛰어넘기 때문에 새로운 아이디어를 제시할 때마다 얻게 되는 것입니다.

인플레이션 중에 발생하는 양자 변동은 우주 전체에 걸쳐 확장되고, 인플레이션이 끝나면 밀도 변동이 됩니다. 이는 시간이 지남에 따라 오늘날 우주의 대규모 구조와 CMB에서 관찰되는 온도 변동으로 이어집니다. 이러한 모든 예측이 밝혀지기까지는 아이디어가 처음 제시된 때부터 인플레이션의 원래 공식화와 관련된 특정 병리 현상이 해결될 때까지 이론 개발에 수년이 걸렸습니다.

( 제공 : E. Siegel; ESA/Planck 및 CMB 연구에 대한 DOE/NASA/NSF 기관 간 태스크 포스)

인플레이션에 관한 앨런 구스(Alan Guth)의 초기 논문은 문제로 가득 차 있었지만, 그 시점까지 해결되지 않았던 문제를 해결해야 하는 힘이 있었기 때문에 혁명을 불러일으킨 아이디어였습니다.

양자 이론을 공식화하려는 초기 시도의 대부분은 보어(Bohr)와 슈뢰딩거(Schrodinger)와 같은 유명인의 시도를 포함하여 병리학에 직면했습니다.

양자전기역학에 대한 최초의 시도는 수학적 불일치로 가득 차 있었습니다.

그러나 이들은 거래를 중단하는 사람이 아닙니다. 이것은 새로운 아이디어로 이론의 "샌드박스에서 플레이"할 때마다 얻을 수 있는 것입니다. 이는 영역과 함께 제공되는 것이므로 아이디어가 빛을 보기 전에 누군가에게 모든 것을 올바르게 하고 모든 지원 세부 사항을 다듬도록 요구해서는 안 됩니다. 그렇습니다. 새로운 이론이 기존의 지배적인 현실 모델을 대체하고 전복하려면 반드시 해결해야 할 세 가지 장애물이 있다는 것은 사실입니다.

1. 기존 모델의 모든 성공을 재현해야 합니다.
2. 기존 모델이 성공적으로 설명할 수 없는 문제나 퍼즐을 설명해야 합니다.
3. 그리고 이전 모델의 예측과 다른 관찰 및/또는 테스트가 가능한 새로운 예측을 해야 합니다.

하지만 문제가 해결되면 이야기의 마지막 부분 에서 새로운 아이디어가 전개되는 모습도 이와 같습니다 . 우리는 양자후 중력과 관련하여 매우 다른 단계에 있습니다. 이론이 아직 개발되고 있는 단계입니다. 이것은 더 깊이 조사해야 할 몇 가지 설득력 있는 이유가 있는 새로운 아이디어이며, 그것이 비옥한 땅인지 아닌지 결정하기도 전에 그것을 존재에서 벗어나게 하지 않는 것이 중요합니다.

일반적으로 중력은 다른 힘과 마찬가지로 어떤 수준에서는 양자적일 것이라고 가정합니다. 그러나 중력은 본질적으로 고전적일 가능성이 있으며, 다른 힘을 포함하더라도 양자 프로세스가 시공간으로 피드백(또는 역반응)하여 중력 자체에 영향을 미치는 중요한 방식이 있을 수 있습니다.

크레딧 : Aurore Simmonet

비록 이 아이디어에 대해 많은 사람들이 폭력적인 반동적 반응을 보였지만, 특정 가정을 버리고 이것이 정말로 우리에게 병리적인 문제를 남기는지, 아니면 결국 구제할 수 있는지 물어보면 어떤 일이 일어나는지 생각해 볼 가치가 있는 경우가 많습니다. 반고전 중력에는 이러한 병리 현상이 있지만, 고전 중력과 QFT가 결합되어 있지만 양자 역학의 역학 법칙이 여전히 실험 및 관찰 제약 조건에 맞는 방식으로 수정되는 이 포스트양자 접근 방식은 추가로 탐구되어야 합니다.

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그것이 유망한 이유 중 하나는 측정이 이루어질 때까지 현실이 결정되지 않는 양자 물리학에서 전통적으로 "측정 문제"라고 불리는 것이 고전적인 시공간과 양자 자유도의 상호 작용으로 대체되기 때문입니다. 양자 시스템에서 결맞음(decoherence)을 유발합니다. 또한 중력이 전혀 양자가 아니라는 가설을 세움으로써 수많은 "양자 중력" 문제를 제거합니다.

두 번째 논문의 저자가 주장한 것처럼 간섭계 실험 및/또는 시간이 지남에 따라 정적 질량으로 추정되는 정밀 측정을 통해 아이디어를 테스트/제한하는 것이 가능합니까 ? 아직 지켜봐야 알겠지만, 이 아이디어를 추구하는 것은 미친 일이 아닙니다. 기억하십시오: 이론 물리학의 대부분의 아이디어는 새로운 것이 아니며, 대부분의 새로운 아이디어는 좋지 않으며, GR과 QFT를 조화시키는 방법에 대해 우리가 가지고 있던 아이디어가 지금까지 결실을 맺은 것과는 다릅니다. 이것은 그것이 어떻게 흔들리는지에 관계없이 실제로 새로운 아이디어이며, 단순히 무시하기 전에 그것이 좋은지 아닌지를 결정하기 위해 세부 사항을 조사해 볼 가치가 있습니다.