중력이 양자화될 수 없다고 장담하는 물리학자 | 콴타 매거진

대부분의 물리학자들은 우리가 현실 구조를 확대할 때 양자 역학의 비직관적 기이함이 가장 작은 규모까지 지속된다고 예상합니다. 그러나 이러한 환경에서 양자역학은 절대적으로 양립할 수 없는 방식으로 고전 중력과 충돌합니다.

그래서 거의 한 세기 동안 이론가들은 중력을 양자화하거나 양자역학의 규칙에 따라 조각함으로써 통일된 이론을 만들려고 노력했습니다. 그들은 아직 성공하지 못했습니다.

조나단 오펜하임유니버시티 칼리지 런던(University College London)에서 포스트 양자 대안을 탐구하는 프로그램을 운영하는 는 중력이 단순히 양자 상자에 압축될 수 없기 때문이라고 의심합니다. 아마도 그는 그것이 양자화되어야 한다는 우리의 가정이 틀렸다고 주장한다. "그 견해는 뿌리깊은 것"이라고 그는 말했다. "하지만 진실이 무엇인지 아무도 모릅니다."

양자 이론은 확실성보다는 확률에 기반합니다. 예를 들어 양자 입자를 측정할 때 정확히 어디에서 찾을지는 예측할 수 없지만 특정 장소에서 발견될 가능성은 예측할 수 있습니다. 게다가 입자의 위치에 대해 더 확실할수록 그 운동량에 대해서는 덜 확신하게 됩니다. 20세기 동안 물리학자들은 이 틀을 사용하여 점차 전자기력과 다른 힘을 이해했습니다. 

그러나 그들이 중력을 양자화하려고 했을 때, 서투른 수학적 트릭으로 회피해야 하는 부자연스러운 무한대에 부딪쳤습니다.

 문제는 중력이 시공간 위에서 작용하는 것이 아니라 시공간 자체의 결과이기 때문에 발생합니다. 따라서 중력이 양자화되면 시공간도 양자화됩니다. 그러나 양자 이론은 고전적인 시공간 배경에서만 의미가 있기 때문에 작동하지 않습니다. 불확실한 기반 위에 양자 상태를 추가하고 진화시킬 수 없습니다. 

이 깊은 개념적 갈등을 다루기 위해 대부분의 이론가들은 물질과 시공간이 작고 진동하는 끈에서 나온다고 상상하는 끈 이론으로 눈을 돌렸습니다. 더 작은 파벌은 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 매끄러운 시공간을 연동 루프 네트워크로 대체하는 루프 양자 중력을 고려했습니다. 두 이론 모두에서 친숙하고 고전적인 세계는 근본적으로 이러한 양자 빌딩 블록에서 어떻게든 나타납니다. 

오펜하임은 원래 끈 이론가였으며 끈 이론가들은 양자 역학의 우위를 믿습니다. 그러나 그는 곧 그의 동료들이 현대 물리학에서 가장 악명 높은 문제 중 하나인 블랙홀 정보 패러독스. 

2017년 오펜하임은 양자 세계와 고전 세계를 기반으로 삼아 정보 역설을 피하는 대안을 찾기 시작했습니다. 그는 간과한 몇 가지를 우연히 발견했습니다. 연구 양자 고전에 하이브리드 이론 그가 겪은 1990년대부터 연장 및 탐험 이후로 계속. 오펜하임은 고전 세계와 양자 세계가 어떻게 상호 연관되는지 연구함으로써 양자도 고전도 아닌 일종의 하이브리드 이론을 발견하기를 희망합니다. "가능성이 많을 때 종종 우리는 모든 계란을 몇 개의 바구니에 넣습니다."라고 그는 말했습니다. 

요점을 말하자면, 오펜하임은 최근 내기를 했다 과 제프 페닝 턴 및 카를로 로벨리 — 끈 이론 및 루프 양자 중력 분야의 리더. 확률? 5,000대 1. 오펜하임의 직감이 맞고 시공간이 양자화되지 않는다면 그는 감자 ​​칩, 다채로운 플라스틱 바징가 공, 또는 그의 공상에 따라 올리브 오일 샷 — 각 품목의 가격이 최대 20펜스(약 25센트)인 한.

우리는 책이 늘어선 런던 북부 카페에서 만났고, 그곳에서 그는 양자 중력 현상 유지에 대한 우려를 침착하게 풀고 이러한 하이브리드 대안의 놀라운 아름다움을 극찬했습니다. "그들은 모든 종류의 놀랍도록 미묘한 질문을 제기합니다."라고 그는 말했습니다. "이러한 시스템을 이해하는 데 정말 발을 잃었습니다." 그러나 그는 인내합니다. 

"5,000개의 바징가 공을 원합니다."

인터뷰는 명확성을 위해 압축 및 편집되었습니다.

왜 대부분의 이론가들은 시공간이 양자화되어 있다고 확신합니까?

도그마가 되었습니다. 자연의 다른 모든 필드는 양자화됩니다. 중력에는 특별한 것이 없다는 느낌이 듭니다. 중력은 다른 것과 같은 필드일 뿐이므로 양자화해야 합니다.

당신이 보기에 중력은 특별합니까?

예. 물리학자들은 다른 모든 힘들을 시공간에서 진화하는 분야로 정의합니다. 중력만으로도 시공간 자체의 기하학과 곡률에 대해 알 수 있습니다. 다른 어떤 힘도 중력처럼 우리가 살고 있는 보편적인 배경 기하학을 설명하지 않습니다.

현재 최고의 양자 역학 이론은 중력이 정의하는 시공간의 배경 구조를 사용합니다. 그리고 중력이 양자화되어 있다고 정말로 믿는다면 우리는 그 배경 구조를 잃게 됩니다.

중력이 고전적이고 양자화되지 않는다면 어떤 종류의 문제에 부딪히게 될까요?

오랫동안 커뮤니티는 양자 시스템을 고전 시스템과 결합하면 불일치가 발생하기 때문에 중력이 고전적이라는 것은 논리적으로 불가능하다고 믿었습니다. 1950년대에 Richard Feynman은 문제를 조명하는 상황을 상상했습니다. 그는 서로 다른 두 위치의 중첩에 있는 거대한 입자로 시작했습니다. 이러한 위치는 유명한 이중 슬릿 실험에서와 같이 금속판에 있는 두 개의 구멍일 수 있습니다. 여기서 입자는 파동처럼 행동합니다. 슬릿 반대편에 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬의 간섭 패턴을 만들어 어떤 슬릿을 통과했는지 알 수 없습니다. 대중적인 설명에서 입자는 때때로 두 슬릿을 동시에 통과하는 것으로 설명됩니다.

그러나 입자는 질량을 가지고 있기 때문에 우리가 측정할 수 있는 중력장을 생성합니다. 그리고 그 중력장은 우리에게 그 위치를 알려줍니다. 중력장이 고전적이라면 무한한 정밀도로 중력장을 측정하고 입자의 위치를 ​​추론하고 통과한 슬릿을 결정할 수 있습니다. 그래서 우리는 역설적인 상황에 처하게 됩니다. 간섭 패턴은 입자가 어떤 슬릿을 통과했는지 결정할 수 없다고 말하지만 고전적인 중력장은 우리가 그렇게 할 수 있도록 합니다.

그러나 중력장이 양자라면 역설이 없습니다. 중력장을 측정할 때 불확실성이 발생하므로 입자의 위치를 ​​결정하는 데 여전히 불확실성이 있습니다.

따라서 중력이 고전적으로 작용한다면 결국 너무 많은 것을 알게 됩니다. 그리고 그것은 중첩과 같은 양자 역학의 소중한 아이디어가 무너진다는 것을 의미합니까?

예, 중력장은 너무 많이 알고 있습니다. 그러나 파인만의 주장에는 고전적인 중력이 작동하도록 허용할 수 있는 허점이 있습니다.

그 허점은 무엇입니까?

현재 상태로는 입자가 어떤 경로를 택했는지 알 수 있는데, 이는 입자가 시공간을 구부리고 입자의 위치를 ​​결정할 수 있게 해주는 명확한 중력장을 생성하기 때문입니다. 

그러나 입자와 시공간 사이의 상호 작용이 임의적이거나 예측할 수 없다면 입자 자체가 중력장을 완전히 지시하지 않습니다. 이는 중력장이 여러 상태 중 하나에 있을 수 있기 때문에 중력장 측정이 입자가 통과한 슬릿을 항상 결정하지는 않는다는 것을 의미합니다. 임의성이 들어오고 더 이상 역설이 없습니다.

그렇다면 더 많은 물리학자들이 중력이 고전적이라고 생각하지 않는 이유는 무엇입니까?

음, 우리가 모든 필드를 양자화하지 않는 이론을 갖는 것이 논리적으로 가능합니다. 그러나 고전 중력 이론이 다른 모든 양자화와 일치하려면 중력이 근본적으로 무작위적이어야 합니다. 받아들일 수 없는 많은 물리학자들에게.

이유는 무엇입니까?

물리학자들은 자연이 어떻게 작동하는지 알아내려고 많은 시간을 보냅니다. 따라서 본질적으로 예측할 수 없는 무언가가 매우 깊은 수준에 있다는 생각은 많은 사람들을 골치 아프게 합니다.

양자 이론 내에서의 측정 결과는 확률론적인 것으로 보입니다. 그러나 많은 물리학자들은 무작위성으로 보이는 것이 환경과 상호 작용하는 양자 시스템 및 측정 장치일 뿐이라고 생각하는 것을 선호합니다. 그들은 그것을 현실의 근본적인 특징으로 보지 않습니다.

대신 무엇을 제안하고 있습니까?

내 추측으로는 다음 중력 이론은 완전히 고전적이지도 않고 완전히 양자적이지도 않고 완전히 다른 것이 될 것입니다.

물리학자들은 자연에 가까운 모델만 제시하고 있습니다. 그러나 보다 근접한 접근을 시도하기 위해 제 학생들과 저는 양자 시스템과 고전적 시공간이 상호 작용하는 완전히 일관된 이론을 구성했습니다. 우리는 필요한 예측 가능성의 붕괴를 허용하기 위해 양자 이론을 약간 수정하고 고전적인 일반 상대성 이론을 약간 수정해야 했습니다.

이러한 하이브리드 이론을 연구하기 시작한 이유는 무엇입니까?

나는 블랙홀 정보 역설에 동기를 부여 받았습니다. 블랙홀에 양자 입자를 던진 다음 블랙홀이 증발하도록 할 때 블랙홀이 정보를 보존한다고 믿는다면 역설에 직면하게 됩니다. 표준 양자 이론은 당신이 블랙홀에 던지는 물체가 무엇이든 뒤죽박죽이지만 인식 가능한 방식으로 다시 방출될 것을 요구합니다. 그러나 그것은 블랙홀의 사건의 지평선을 가로지르는 물체에 대해 결코 알 수 없다는 일반 상대성 이론을 위반합니다.

그러나 블랙홀 증발 과정이 불확정적이라면 역설은 없습니다. 예측 가능성이 무너지기 때문에 블랙홀에 무엇이 던져졌는지 알 수 없습니다. 일반 상대성 이론은 안전합니다.

그렇다면 이러한 양자-고전 하이브리드 이론의 소음으로 인해 정보가 손실될 수 있습니까?

그렇지. 

그러나 정보 보존은 양자 역학의 핵심 원리입니다. 이것을 잃는 것은 많은 이론가들에게 쉽게 앉을 수 없습니다.

사실입니다. 최근 수십 년 동안 이것에 대해 엄청난 논쟁이 있었고 거의 모든 사람들이 블랙홀 증발이 결정론적이라고 믿게 되었습니다. 나는 항상 그것이 의아해합니다.

중력이 양자화되면 실험이 해결될까요?

어느 시점에서. 우리는 여전히 가장 작은 규모의 중력에 대해 거의 알지 못합니다. 양성자 규모는 말할 것도 없고 밀리미터 규모까지 테스트되지도 않았습니다. 그러나 이를 수행할 몇 가지 흥미로운 실험이 온라인에 등장하고 있습니다.

하나는 현대판 두 개의 납 구 사이의 중력 인력의 강도를 계산하는 "Cavendish 실험"의 이러한 양자-고전 하이브리드에서와 같이 중력장에 임의성이 있는 경우 강도를 측정하려고 할 때 항상 같은 답을 얻지는 못할 것입니다. 중력장은 흔들릴 것입니다. 중력이 근본적으로 고전적이라는 모든 이론에는 일정 수준의 중력 노이즈가 있습니다.

이 임의성이 중력장에 내재되어 있고 환경에서 발생하는 일부 노이즈가 아니라는 것을 어떻게 알 수 있습니까?

당신은하지 않습니다. 중력은 아주 약한 힘이기 때문에 최고의 실험조차도 이미 많은 흔들림이 있습니다. 따라서 이러한 모든 다른 노이즈 소스를 가능한 한 많이 제거해야 합니다. 흥미로운 점은 제 학생들과 제가 이러한 하이브리드 이론이 사실이라면 최소한의 중력 노이즈가 있음을 보여주었다는 것입니다. 이것은 이중 슬릿 실험에서 금 원자를 연구하여 측정할 수 있습니다. 이러한 실험은 이미 중력이 근본적으로 고전적인지에 대한 경계를 설정합니다. 우리는 허용되는 불확정성의 양에 점차 가까워지고 있습니다.

반대로 중력이 양자화된다는 것을 증명할 실험이 있습니까?

다음의 제안된 실험 중력장에 의해 매개되는 얽힘을 찾습니다. 얽힘은 양자 현상이므로 중력의 양자적 특성에 대한 직접적인 테스트가 될 것입니다. 이 실험은 매우 흥미진진하지만 아마 수십 년은 걸릴 것입니다.