Renate Loll, 우주를 혼합하여 양자 중력 잠금 해제 | 콴타 매거진

Renate Loll은 닥터 스트레인지의 악몽을 선사할 우주를 보았습니다. 그녀는 3D 세계, 평지, 분수 차원의 분열된 현실을 탐험했습니다. 그녀는 부드러운 곡선이 있는 우주와 격렬한 스파이크로 폭발하는 우주를 보았습니다. 그녀는 영원히 팽창하는 우주와 공간이 존재하지 않는 우주를 목격했습니다.

이것들과 셀 수 없이 많은 다른 우주 역사가 컴퓨터의 디지털 메모리에서 재생되는 것을 본 후 Loll은 더 이상 아무것도 당연하게 여기지 않습니다. 확실히 우리 현실의 구조를 구성하는 단조로운 XNUMX차원 공간과 XNUMX차원 시간이 아닙니다. .

 "아무것도 미리 정해진 것은 없다"고 말했다. 축 늘어져 기대다, 네덜란드 Radboud 대학의 이론 물리학자.

Loll은 이러한 디지털 우주에 대한 신중한 조사를 통해 양자 중력의 특정 측면, 즉 아인슈타인의 공간, 시간 및 중력 개념의 기초가 되는 보다 정확한 양자 이론을 풀 수 있다고 믿습니다. 일반 상대성 이론으로 아인슈타인은 신비한 힘인 중력을 공간과 시간의 모양의 결과로 정의했습니다. 양자 이론의 핵심 신조는 이 모양이 단순한 기하학이 아니라 어떤 의미에서 가능한 모든 모양의 평균이라고 제안합니다. 이러한 가정에 Loll은 원인이 결과보다 우선한다는 겉보기에 명백한 요구 사항을 추가합니다. 그녀는 기하학, 양자 이론 및 인과 관계라는 세 가지 요소가 현실의 기본 구조에 대한 무차별 대입 계산을 가능하게 하는 데 충분하며 루프, 문자열 또는 추가 차원이 필요하지 않다고 의심합니다.

Loll과 그녀의 협력자들은 디지털 삼각형의 패턴을 사용하여 현실에 근접하는 데 20년 이상을 보냈습니다. 인과적 역학 삼각 측량(causal dynamical triangulations)으로 알려진 그들의 이론은 가능한 많은 우주를 함께 혼합하면 우리와 매우 유사한 우주를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 그녀와 그녀의 동료들은 또한 작은 규모에서 시공간이 완전히 예상치 못한 구조, 즉 세계 혼합의 양자 지문을 가질 수 있다는 힌트를 발견했습니다.

"이것은 내가 고전적으로 생각하지 않았을 짧은 규모의 중요한 양자 구조가 있다는 최초의 진정한 증거입니다."라고 그녀는 말했습니다.

롤, 누구였어 방금 명명 최근에 네덜란드 사자 기사단과 이야기를 나눴습니다. Quanta Magazine 그녀가 왜 시공간 시뮬레이터가 되었는지, 어떻게 이 모든 가능한 우주를 만들었는지, 그리고 양자 중력 분야가 앞으로 어디로 갈 것인지에 대해. 인터뷰는 명확성을 위해 압축 및 편집되었습니다.

중력과 시공간의 구조를 연구하게 된 계기는 무엇입니까?

사실 저는 경제학 대학원에서 일을 시작했지만 학부 때 공부했던 물리학에 대한 향수병에 곧 빠졌습니다. 경제학은 사람들의 행동을 예측하는 것입니다. 기본 법칙이 있는 고에너지 물리학은 훨씬 간단합니다.

어떻게 양자 중력에 대한 접근 방식을 시작하게 되었나요?

나는 내 인생의 10년을 루프 양자 중력 프로그램. 처음에는 정말 신났는데 종이에 펜으로 엄청나게 형식적이고 추상적인 계산을 셀 수 없이 많이 하다 보니 1990년대 초반부터 부러워지기 시작했습니다. 다른 그룹들 그들은 컴퓨터로 계산을 함으로써 시공간에 대한 보다 구체적인 연구를 수행하고 있었습니다.

그 연구들은 컴퓨터가 시공간의 양자 구조를 조사할 수 있다고 제안했지만, 그들은 우리가 보는 것과 같은 광대한 공간 구조를 만드는 데 어려움을 겪었습니다. 내 동료 얀 암뵤른 그리고 나는 그 연구들이 사용하고 있는 시공간이 비현실적인 "유클리드" 기하학을 가지고 있다는 것이 문제인지 궁금했습니다. 유클리드 시공간은 시간을 초월합니다. 그 안에서 보통 한 방향을 가리키는 시간은 본질적인 화살표가 없는 또 다른 차원의 공간으로 변형된다. 따라서 이러한 모델에는 원인이 결과보다 우선한다는 요구 사항인 인과 관계 개념이 없습니다.

인과 구조를 시공간으로 가져올 수 있다면 아마도 방법론이 저장될 수 있을 것이라고 생각했습니다. 이것이 우리의 인과적 역학 삼각측량(CDT) 이론이 탄생한 방법입니다.

CDT는 무엇입니까? 어떤 의미에서 양자중력 이론인가?

CDT는 양자 효과에서 발생해야 하는 시공간 구조의 기하학과 텍스처를 계산하기 위한 프레임워크입니다. 우리는 다음과 같은 질문을 던지면서 이를 개발했습니다. 흥미로운 시공간 기하학을 생성하는 데 필요한 최소한의 재료 세트는 무엇입니까?

시공간 구조의 모양은 어떻게 계산합니까?

우리는 컴퓨터가 처리할 수 있도록 이론을 고정된 수의 작은 조각으로 해킹하는 검증된 기술을 따릅니다.

이런 식으로 시공간 이론을 근사화할 때 사용할 수 있는 가장 간단한 모양은 삼각형으로, 이를 함께 붙여 곡면 캔버스를 만들 수 있습니다. 하나의 정점 주위에 XNUMX개의 정삼각형을 함께 붙인다고 상상해 보십시오. 그것은 당신에게 평평한 시공간의 조각을 제공합니다. 이제 하나의 삼각형을 제거하고 이웃의 측면을 연결하십시오. 그것은 당신에게 원뿔, 즉 구부러진 시공간 조각을 제공합니다. 각 지점에서 서로 다른 수의 삼각형을 추가하거나 제거하여 시공간의 곡률을 캡처할 수 있습니다.

그런 다음 마법의 단계가 온다. 모양이 고전 규칙과 양자 규칙에 따라 상호 작용하도록 합니다.

다음으로 삼각형이 형태 없는 점으로 녹아 없어질 때까지 거의 축소하는 것처럼 격자를 점점 더 미세하게 만듭니다. 고전 이론에 양자 측면을 도입했기 때문에 새롭고 예상치 못한 것이 나타날 수 있습니다.

어떤 양자 규칙을 사용합니까?

라는 범용 절차를 사용합니다. 경로 적분 아인슈타인의 중력에 양자 본질을 주입합니다. 경로 적분은 우리가 보는 우주가 실제로 가능한 모든 시공간 형태의 "중첩"인 양자 조합임을 시사합니다. 그것이 양자 성분입니다.

삼각형은 해당 프로세스를 처리하는 방법을 제공합니다. 이상적으로 우리는 우주가 취할 수 있는 모든 가능한 역사를 나타내는 삼각형을 함께 붙이는 가능한 모든 방법을 더할 것입니다. 그러나 그것은 불가능하기 때문에 어떤 우주가 가장 가능성이 높은지 파악하기 위해 임의의 삼각형 구성을 많이 생성하여 대략적으로 추정합니다. 우리는 이런 것을 시도한 최초의 사람은 아니었지만 우리 우주처럼 보이는 우주를 뱉어내는 절차를 처음으로 얻었습니다.

 시공간을 근사화하려는 다른 시도와 CDT의 차이점은 무엇입니까?

인과적인 부분! 내가 언급했듯이 다른 그룹은 시대를 초월한 "유클리드" 공간에서 작업했습니다. 이렇게 하면 기술적인 이유로 경로 통합을 더 쉽게 계산할 수 있지만 시간을 여행하고 인과 관계를 위반할 수 있는 이상한 기하학을 포함하는 대가를 지불해야 합니다.

우리는 시간과 시공간의 인과 구조를 유지하고 싶었습니다. 구조가 적은 유클리드 공간에서 삼각형을 잘라내는 대신 특별한 시간 방향을 가진 일반 시공간에서 삼각형을 잘라냅니다.

이 계획을 실행한 후 효과가 있는지 어떻게 알았습니까?

A 예비 계산 1998년에 인과 관계를 유지하는 것이 실제로 근본적으로 다른 이론을 낳는다는 것을 보여주었습니다. 그것이 우리에게 계속할 수 있는 용기를 주었습니다. 향후 몇 년 동안 우리는 사면체를 사용하여 3D 시뮬레이션까지 작업했습니다.

우리는 4년에 마침내 2004D에 도달했습니다. 이는 우리가 XNUMX차원의 공간과 XNUMX차원의 시간에 살고 있기 때문에 특히 우리와 관련이 있습니다. 그런 다음 숨을 죽이고 시뮬레이션을 실행했습니다.

과?

우리는 무엇을 보았습니까? 처음에는 아무것도 없습니다. 차원의 개념은 미묘할 수 있지만 이를 이해하는 한 가지 방법은 점점 더 많은 4D 삼각형(처음에는 50,000개, 그 다음에는 100,000개, 그 다음에는 200,000개)을 추가하고 집합적인 삼각형 무리의 모양이 어떻게 성장하는지 확인하는 것입니다.

우리가 그렇게 했을 때, 우리는 무리가 마치 하나의 시간 방향을 가진 3D 우주인 것처럼 정확히 자라는 것을 발견했습니다. 그것은 전에 본 적이 없었습니다. 4D 구성 요소가 4D 우주를 생성할 수 있다는 것이 당연하게 들릴 수 있지만 그렇지 않습니다. 유클리드 공간에서의 이전 시도는 삼각형이 구겨진 공으로 모여 있거나 실 모양의 거미줄로 뻗어 있는 이상한 공간을 생성했습니다. 이러한 공간에는 우리가 큰 공간 차원으로 인식할 수 있는 구조가 전혀 없었습니다. 그러나 어쨌든 아인슈타인의 중력 이론, 경로 적분 및 인과 관계는 우리와 같은 광대한 4D 우주에서 구성 요소를 배열하도록 유도했습니다. 그러면 확장된 우주가 가능하다는 주장을 실제로 할 수 있습니다. 첫 번째 원칙에서 나오다.

고무적으로 들리지만 우리는 시공간이 4차원이어야 한다는 것을 이미 알고 있었습니다. CDT는 예측을 합니까?

그렇습니다! 우리는 충분히 확대하면 시공간이 4D 특성을 잃을 것이라고 예측했습니다. 그것을 보려면 다른 종류의 차원, 즉 확산에 의해 드러나는 차원을 연구해야 합니다. 예를 들어 잉크 방울은 2D 물 유리에서와 3D 페이지에서 다르게 퍼지므로 확산을 보면 어떤 종류의 공간에 있는지 알 수 있습니다.

여기서 우리는 놀라운 결과를 발견했습니다. 4D 우주에서 잉크 방울의 방출을 시뮬레이션했을 때 잉크 방울이 대략 2D 공간에 갇힌 것처럼 퍼졌습니다. 더 퍼질 시간이 있으면 정상적인 방식으로 퍼집니다.

하지만 문자 그대로 평평한 시트를 통해 퍼지는 것과는 다릅니다. 마치 매우 짧은 거리에 걸친 시공간의 양자 구조가 프랙탈과 같은 것 같습니다. 즉, 공간이 완전히 채워져 있지만 공간의 특정 부분이 처음에는 다른 부분만큼 액세스할 수 없는 방식으로 연결되어 있습니다. 여기에 양자 각인이 있는 미세 구조가 있지만 축소하면 모든 것이 잘 보이고 4D로 보입니다. 만세!

사실 재밌습니다. 처음에는 이것이 잠재적으로 중요한 결과가 될 수 있다는 사실을 공동 작업자에게 납득시켜야 했고 지금은 가장 많이 인용된 논문.

그것이 실제로 테스트할 수 있는 예측입니까?

그것은 진정한 양자 서명이지만 우리는 그것을 관찰할 수 있는 곳이 어디인지 아직 모릅니다.

시공간의 양자적 성질이 명백해질 것으로 예상되는 플랑크 척도의 아주 작은 거리와 우리가 실험에서 접근할 수 있는 척도 사이에는 엄청난 간극이 있습니다. 작은 효과가 우리와 같은 거인이 감지할 수 있을 만큼 충분히 크게 폭발하는 장소를 찾는 최선의 방법은 무엇입니까? 그것은 아마도 천체물리학일 것입니다. 그리고 우리는 그곳에서 CDT의 결과가 무엇인지 알아내고 있습니다.

CDT가 우리 우주와 일치하는 것으로 보이는 특징을 계산하는 데 어느 정도 성공했다면 양자 중력 커뮤니티가 그 방법을 수용하지 않은 이유는 무엇이라고 생각하십니까?

항상 판매하기 어려웠던 한 가지 측면은 양자 중력을 이해하기 위해 수치적 방법을 사용해야 한다는 생각입니다. 고전적인 일반 상대성 이론은 아름다운 이론입니다. 적어 놓은 방정식은 복잡하지만 간결한 형태를 가집니다. 사람들은 수학적 아름다움과 몇 가지 간단한 일을 분석적으로 수행할 수 있는 능력에 열광합니다.

하지만 현실적으로 중력이 강한 상황을 설명하고 싶다면 간단한 방정식으로 설명할 수 없습니다. 삼각 측량과 같은 수치 방법은 양자 중력 모델에 대한 온전한 검사 역할을 합니다.

단순하고 아름다운 이론을 찾는 것이 막다른 골목이라고 생각하십니까?

그것은 수. 수년 동안 커뮤니티는 다른 모든 것이 따르는 하나의 공식을 작성할 수 있어야 한다는 만물 이론 접근 방식에 의해 주도되었습니다. 이제 나는 이것이 정말로 현실적인 기대인지 궁금합니다.

우리는 현대 이론이 얼마나 단순한지 망쳐버렸습니다. 예를 들어 양자장 이론을 공부할 때 입자 개념이 있습니다. 전자기력을 전달하는 광자는 충분히 가깝습니다. 문자 그대로 작은 공은 아니지만 국지적인 에너지를 감지할 수 있는 기계가 있습니다. 탐지기가 딸깍 소리를 내는데 이것이 광자입니다.

그러나 중력의 가상 운반체인 중력자는 같은 방식으로 존재합니까? 프리먼 다이슨 논쟁하는 개별 중력자를 감지하는 것이 불가능할 수도 있습니다. 광자 검출기의 가장 간단한 중력 아날로그는 너무 커서 하나의 중력을 찾기 전에 블랙홀로 붕괴될 것입니다. 아마도 개별 중력자는 개별 광자와 같은 구체적인 방식으로 존재하지 않을 것입니다. 아마도 우리는 자연에 너무 많은 것을 요구하고 있는 것 같습니다.

우리가 포스트 스트링, 포스트 루프 단계 당신이 쓴 것처럼 양자 중력 연구의 단계는 무엇입니까?

끈 이론은 우리에게 재물에 대한 당혹감을 안겨주었다. 그것은 11차원으로 정의되어야 했고 일관성을 유지하기 위해 많은 미발견 입자가 필요했습니다. 순수 수학의 발전을 포함하여 우리에게 많은 것을 제공한 아름다운 도구 상자입니다. 그러나 이러한 이국적인 아이디어는 양자 중력의 고유한 이론을 찾는 측면에서 실제로 우리를 어디로도 인도하지 못했습니다.

나는 지역 사회에서 새로운 겸손을 감지합니다. 루프, 문자열 및 기타 확장된 개체의 매우 풍부하고 이국적인 프레임워크로 이러한 여행을 한 후 우리는 양자장 이론의 아름다움을 재발견하기 시작했습니다. 그리고 CDT는 기본으로 돌아가는 추세의 일부입니다.