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역사에서처럼, 혁명은 과학의 생명선입니다. 불안의 부글부글 끓어오르는 저류는 권력을 잡기 위해 새로운 정권이 등장할 때까지 끓어 넘칩니다. 그리고 나서 모든 사람들의 관심은 그들의 새로운 통치자를 쓰러뜨리는 것으로 향합니다. 왕은 죽었고, 왕은 오래 사세요.
이것은 물리학과 천문학의 역사에서 여러 번 일어났습니다. 우선, 우리는 지구가 태양계의 중심에 있다고 생각했습니다. 이것은 1,000년 이상 지속된 생각입니다. 그리고 나서 니콜라우스 코페르니쿠스는 우리가 단지 태양 주위를 도는 또 다른 행성이라면 전체 시스템이 훨씬 더 간단할 것이라고 말하기 위해 그의 목을 내밀었습니다. 초기의 많은 반대에도 불구하고, 그 오래된 지구중심적인 그림은 결국 새로 발명된 망원경의 증거의 무게로 인해 휘어졌습니다.
그리고 아이작 뉴턴은 중력이 행성들이 태양 주위를 도는 이유라고 설명했습니다. 그는 질량을 가진 모든 물체는 서로를 향한 중력을 가지고 있다고 말했습니다. 그의 생각에 따르면, 우리는 태양이 우리를 끌어당기기 때문에 태양을 돌고, 달은 우리가 지구를 끌어당기기 때문에 지구를 돈다고 합니다. 뉴턴은 알버트 아인슈타인이 1915년 그의 일반 상대성 이론으로 그를 찬탈하기 전까지 2세기 반 동안 통치했습니다. 이 새로운 사진은 수성 궤도의 불일치를 깔끔하게 설명했고, 1919년 아프리카 해안에서 일식을 관측한 것으로 유명하게 확인되었습니다.
끌어당기는 힘 대신에, 아인슈타인은 중력을 곡선 공간의 결과로 보았습니다. 그는 우주의 모든 물체가 시공간이라고 불리는 매끄럽고 4차원적인 직물 안에 앉아 있다고 말했습니다. 태양과 같은 거대한 물체는 그 주위의 시공간을 휘게 합니다. 그래서 지구의 궤도는 단순히 우리 행성이 이 곡률을 따라간 결과입니다. 우리에게 그것은 뉴턴의 중력처럼 보입니다. 이 시공간 사진은 이제 100년 이상 왕좌에 있었고, 지금까지 모든 가식적인 사람들을 왕관에 굴복시켰습니다. 2015년 중력파의 발견은 결정적인 승리였지만, 이전의 것들과 마찬가지로, 그것도 곧 무너질지도 모릅니다. 왜냐하면 그것은 근본적으로 물리학 동물원의 또 다른 큰 짐승인 양자 이론과 양립할 수 없기 때문입니다.
양자 세계는 이상하기로 악명이 높습니다. 예를 들어, 단일 입자는 동시에 두 개의 위치에 있을 수 있습니다. 관찰을 해야만 '선택'하도록 강제합니다. 관찰 전에 우리는 가능한 결과에만 확률을 할당할 수 있습니다. 1930년대에, 에르빈 슈뢰딩거는 이 생각이 얼마나 비뚤어져 있는지를 드러내는 유명한 방법을 고안했습니다. 그는 해머에 붙어있는 독병과 함께 밀폐된 상자 안에 있는 고양이를 상상했습니다. 망치는 입자의 양자 상태를 측정하는 장치에 연결되어 있습니다. 망치가 유리병을 부수고 고양이를 죽일지는 그 측정에 달려 있지만, 양자 물리학은 그러한 측정이 이루어질 때까지 입자가 두 상태에 동시에 있다고 말하는데, 이것은 유리병이 깨지거나 깨지지 않고 고양이가 살아있고 죽었다는 것을 의미합니다.
그러한 그림은 매끄럽고 연속적인 시공간 구조와 조화를 이룰 수 없습니다. "중력장은 두 곳에 동시에 있을 수 없습니다," 라고 프랑크푸르트 고등연구소의 이론 물리학자 사비네 호센펠더가 말했습니다. 아인슈타인에 따르면, 시공간은 물질과 에너지에 의해 왜곡되지만, 양자 물리학은 물질과 에너지가 동시에 여러 상태로 존재한다고 말합니다. 그들은 여기와 저기 모두에 있을 수 있습니다. "그럼 중력장은 어디에 있나요?" 호센펠더가 묻습니다. "아무도 그 질문에 대한 답을 가지고 있지 않습니다. 좀 창피해요," 라고 그녀가 말했어요.
일반 상대성 이론과 양자 이론을 함께 사용하려고 시도해 보면, 효과가 없습니다. "특정 에너지 이상의 확률은 1보다 큽니다," 라고 호센펠더가 말했습니다. 하나는 가능한 가장 높은 확률입니다. 즉, 결과가 확실하다는 것을 의미합니다. 당신은 확신보다 더 확신할 수 없어요. 마찬가지로, 계산은 때때로 실제 물리적 의미가 없는 무한대의 답을 제공합니다. 따라서 두 이론은 수학적으로 일관성이 없습니다. 그래서, 역사를 통틀어 많은 군주들처럼, 물리학자들은 평화를 확보하기 위해 경쟁 파벌들 사이의 결혼을 찾고 있습니다. 그들은 양자 중력 이론을 찾고 있습니다. 양자 중력 이론은 이 두 경쟁자들이 왕좌를 공유하도록 하는 궁극적인 외교적 훈련입니다. 이것은 이론가들이 몇 가지 이상한 가능성으로 눈을 돌리는 것을 보았습니다.
거의 틀림없이 가장 유명한 것은 끈 이론입니다. 전자나 쿼크와 같은 아원자 입자들이 작은 진동하는 끈으로 만들어진다는 생각입니다. 악기에서 현을 연주하여 다른 음을 만들 수 있듯이, 현 이론가들은 현의 다른 조합이 다른 입자를 만든다고 주장합니다. 이 이론의 매력은 적어도 서류상으로는 일반 상대성 이론과 양자 물리학을 조화시킬 수 있다는 것입니다. 하지만, 그 특정한 토끼를 모자에서 꺼내려면, 줄은 아인슈타인의 시공간 직물에 있는 4개보다 7개 많은 11개의 차원을 가로질러 진동해야 합니다. 아직까지 이러한 추가 차원이 실제로 존재한다는 실험적 증거는 없습니다. "그것은 흥미로운 수학일 수도 있지만, 그것이 우리가 살고 있는 시공간을 묘사하는지 여부는 실험이 있기 전까지는 정말로 알 수 없습니다," 라고 노팅엄 대학의 조르마 루코가 말했습니다.
끈 이론의 실패에 부분적으로 영감을 받은 다른 물리학자들은 루프 양자 중력(LQG)이라는 대안으로 눈을 돌렸습니다. 그들은 일반 상대성 이론의 중심 원칙 중 하나를 없애면 두 이론을 잘 수행할 수 있습니다. 시공간은 매끄럽고 연속적인 직물입니다. 대신에, 그들은 시공간이 일련의 서로 엮인 루프로 구성되어 있다고 주장합니다. 즉, 가장 작은 크기의 구조를 가지고 있다는 것입니다. 이것은 약간 천의 길이와 같습니다. 언뜻 보기에 그것은 하나의 매끄러운 직물처럼 보입니다. 하지만 자세히 보면, 여러분은 그것이 실로 꿰맨 네트워크로 만들어졌다는 것을 알게 될 것입니다. 또는 컴퓨터 화면의 사진과 같이 생각해 보십시오. 확대해 보면 정말 개별 픽셀로 구성되어 있다는 것을 알 수 있습니다.
문제는 LQG 물리학자들이 작다고 말할 때, 그들은 정말 작다는 것을 의미한다는 것입니다. 시공간의 이러한 결함은 플랑크 척도의 수준, 즉 약 1조분의 1미터에서만 분명하게 드러날 것입니다. 그것은 너무 작아서 관측 가능한 우주 전체의 입방 센티미터보다 입방 센티미터의 공간에 더 많은 루프가 있을 것입니다. "만약 시공간이 플랑크 척도에서만 다르다면, 이것은 어떤 입자 가속기에서도 테스트하기 어려울 것입니다."라고 Louko는 말합니다. CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)보다 1,000조 배나 더 강력한 원자 충돌기가 필요할 것입니다. 하나는 우리 은하계 전체만큼 큽니다.
하지만, 영국, 프랑스 그리고 홍콩의 물리학자 팀은 곧 이 아이디어를 시험해 볼 다른 방법을 갖게 될지도 모릅니다. 그들은 결국 중력이 정말 양자인지 알아보기 위해 보스-아인슈타인 응축수로 알려진 상태로 존재하는 수십억 개의 세슘 원자의 초저온 가스를 사용하기를 희망합니다.
한편, 우주 자체는 작은 시공간의 결함을 찾는 또 다른 방법을 제공합니다.
우주의 가장 먼 곳에서 여기에 도착한 빛은 그 과정에서 수십억 광년의 시공간을 통과했습니다. 각 시공간 결점의 효과는 작지만, 이러한 거리에 걸쳐 여러 결점과의 교호작용이 잠재적으로 관측 가능한 효과를 얻을 수 있습니다. 지난 10년 동안, 천문학자들은 LQG를 뒷받침하는 증거를 찾기 위해 멀리 떨어진 감마선 폭발의 빛을 사용해 왔습니다. 이 우주적 섬광은 거대한 별들이 삶의 끝에서 붕괴한 결과이며, 현재 우리가 설명할 수 없는 이 먼 곳의 폭발에 대한 무언가가 있습니다. 호센펠더는 "그들의 스펙트럼은 체계적으로 왜곡되어 있습니다,"라고 말했지만, 아무도 그것이 여기로 오는 도중에 일어나는 일인지 아니면 폭발의 근원과 관련이 있는지 모릅니다. 배심원단은 아직 안 나왔어요
진전을 이루기 위해서, 우리는 시공간이 아인슈타인이 제안한 매끄럽고 연속적인 구조가 아니라고 말하는 것보다 한 걸음 더 나아가야 할지도 모릅니다. 아인슈타인에 따르면, 시공간은 배우들이 판을 밟든 말든 제자리에 남아 있는 무대와 같습니다 – 비록 주위에 별이나 행성이 춤을 추지 않더라도, 시공간은 여전히 그곳에 있을 것입니다. 하지만, 물리학자 Laurent Freidel, Robert Leigh, 그리고 Jordje Minic은 이 사진이 우리를 방해하고 있다고 생각합니다. 그들은 시공간이 그 안에 있는 물체들과 독립적으로 존재하지 않는다고 믿습니다. 시공간은 객체가 상호 작용하는 방식으로 정의됩니다. 그것은 시공간을 양자 세계 자체의 인공물로 만들 것이며, 그것과 결합될 것이 아니다. "이상하게 들릴 수도 있지만, 이것은 그 문제에 접근하는 매우 정확한 방법입니다."라고 Minic은 말했습니다."
모듈러 시공간이라고 불리는 이 이론의 매력은 그것이 국소성이라고 불리는 것과 관련된 이론 물리학의 또 다른 오랜 문제와 얽힘이라고 불리는 양자 물리학의 악명 높은 현상을 해결하는 데 도움이 될 수 있다는 것입니다. 물리학자들은 그들이 두 개의 입자를 하나로 모으고 그들의 양자 특성을 연결하는 상황을 설정할 수 있습니다. 그리고 나서 그들은 그것들을 먼 거리로 분리하고 그것들이 여전히 연결되어 있다는 것을 발견합니다. 하나의 속성을 변경하면 다른 하나의 속성이 즉시 변경됩니다. 마치 정보가 상대성 이론을 직접 위반하는 빛의 속도보다 더 빠르게 하나에서 다른 하나로 이동한 것처럼 말입니다. 아인슈타인은 이 현상에 매우 동요하여 그것을 '멀리서의 가짜 행동'이라고 불렀습니다.
모듈러 시공간 이론은 분리되는 것이 무엇을 의미하는지 재정의함으로써 그러한 행동을 수용할 수 있습니다. 만약 시공간이 양자 세계에서 나온다면, 양자적인 의미에서 가까운 것이 물리적인 의미에서 가까운 것보다 더 기본적입니다. "관찰자마다 지역에 대한 개념이 다를 것입니다." Minic이 말했습니다. "상황에 따라 다릅니다. 다른 사람들과 우리의 관계와 약간 비슷합니다. 우리는 거리 아래에 사는 낯선 사람보다 멀리 있는 사랑하는 사람과 더 가깝게 느낄 수 있습니다. "당신은 그것들이 꽤 작기만 하면 이러한 비현지적인 연결고리를 가질 수 있습니다," 라고 호센펠더가 말했습니다. Freidel, Leigh, Minic은 지난 5년 동안 그들의 아이디어를 연구해왔고, 그들은 그들이 서서히 발전하고 있다고 믿고 있습니다. Minic은 "우리는 보수적이고 단계적으로 일을 처리하고 싶습니다,"라며, "하지만 그것은 감질나고 흥분됩니다. 그것은 확실히 LQG에서처럼 중력을 양자화하기보다는 양자 세계를 "중력화"하려는 새로운 접근법입니다. 하지만 다른 과학적 이론과 마찬가지로, 그것은 시험될 필요가 있습니다. 지금 이 세 사람은 그들의 모델에 시간을 맞추는 방법을 연구하고 있습니다.
이 모든 것이 믿을 수 없을 정도로 난해하게 들릴지도 모릅니다. 학자들만이 관심을 가져야 할 것이지만, 이것은 우리의 일상 생활에 더 깊은 영향을 미칠 수 있습니다. "우리는 우주에 앉아, 시간을 여행하고, 만약 시공간에 대한 우리의 이해에 무언가 변화가 생긴다면, 이것은 중력에 대한 우리의 이해뿐만 아니라 일반적인 양자 이론에도 영향을 미칠 것입니다," 라고 호센펠더가 말했습니다. "현재 우리의 모든 장치는 양자 이론 때문에 작동합니다. 만약 우리가 시공간의 양자 구조를 더 잘 이해한다면 미래의 기술에 영향을 미칠 것입니다. 아마도 50년이나 100년이 아니라 200년이 될 것입니다."라고 그녀는 말했습니다.
현재의 군주는 치아가 길어지고 있고, 새로운 가식은 오래 전에 이루어졌지만, 우리는 많은 선택지 중에서 어떤 것이 가장 성공할 가능성이 있는지 결정할 수 없습니다. 우리가 그렇게 할 때, 결과적인 혁명은 이론 물리학뿐만 아니라 모두에게 결실을 맺을 수 있습니다.
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