물리학의 성배: 양자 중력을 찾는 탐구
ABC 사이언스 /
과학 쇼를 위한 Shelby Traynor의 글
8시간 전8시간 전에 게시됨
보라색 시공간 속에 박힌 노란색 행성의 추상적 이미지로, 질량 아래서 뒤틀립니다.
대다수의 물리학자들은 중력이 양자 현상이라는 데 동의하지만 지금까지 실험에서는 회피해 왔습니다. (게티 이미지: 데니스 포비토프)
이는 알베르트 아인슈타인이 100여년 전에 확인한 문제입니다.
이는 우리가 해결 직전에 있을 수도 있고, 해결하는 데 100년이 더 걸릴 수도 있는 문제입니다.
문제는 우리가 중력이 어떻게 작용하는지 완전히 이해하지 못한다는 것입니다.
시드니 대학의 천체물리학자 Geraint Lewis는 “사람들은 오랫동안 큰 망치로 이 과학적 문제를 해결해 왔습니다”라고 말합니다.
“그리고 그것은 단지 양보를 거부할 뿐입니다.”
우리는 중력이 어떤 역할을 하는지 알고 있습니다. 그것은 우리를 계속해서 일어설 수 있게 해줍니다. 그것은 지구가 태양 주위를 공전하도록 유지합니다.
그리고 아인슈타인의 중력 이론 덕분에 우리는 궤도를 도는 행성과 충돌하는 은하의 경로를 지도화할 만큼 충분히 알고 있습니다.
The Science Show에서 들어보세요: 아인슈타인의 혁명적 이론에 대한 중요한 업데이트 찾기
그의 일반상대성이론은 1915년 발표된 이래로 타의 추종을 불허하는 이론이었습니다.
“그러나 상대성이 무너지는 곳이 있습니다”라고 루이스 교수는 말합니다.
방정식은 우리에게 필요한 답을 제공하지 않습니다.
그래서 100년 넘게 물리학자들은 아인슈타인이 설명하지 못한 것을 설명할 새로운 이론을 찾아왔습니다.
이는 기초 물리학을 발전시키기 위한 진지한 탐구이자 시공간의 본질에 대한 그다지 심각하지 않은 내기이기도 합니다.
아인슈타인의 불완전한 중력 이론
일반 상대성 이론은 중력이 시공간의 곡률임을 알려줍니다.
태양과 같은 거대한 물체는 주변의 공간과 시간을 왜곡합니다. 이로 인해 지구와 같은 물체가 특정 궤도에서 움직이게 됩니다.
격자형 시공간을 휘게 하는 행성과 궤도를 도는 작은 달을 보여주는 흑백 그림입니다.
일반적으로 상대성 이론에서 물질은 시공간이 어떻게 구부러지는지 알려주고, 구부러진 시공간은 물질이 어떻게 움직이는지 알려줍니다.(Getty Images: Levente_Naghi)
이는 200년 동안 물리학을 지배해 온 아이작 뉴턴의 중력관에서 벗어난 것이었습니다.
뉴턴은 중력을 공간과 시간으로부터 분리된 힘으로 보았고, 아인슈타인은 중력을 시공간의 산물로 보았습니다.
모나쉬 대학교 소속 수학자 로빈 아리안로드(Robyn Arianrhod)는 일반 상대성 이론을 “인간 정신이 만들어낸 가장 놀라운 창조물 중 하나”라고 말합니다.
이론의 예측은 계속해서 실현되고 있습니다. 심지어 아인슈타인 자신도 그럴 것이라고 의심했을 때에도 마찬가지입니다.
1919년 일식 동안 태양에 의해 구부러진 빛에 대한 최초의 관측부터 2015년 중력파로 알려진 시공간 구조의 작은 잔물결 탐지까지.
“내 말은, 그게 얼마나 강력한 거죠?” Arianrhod 박사는 말합니다. “그리고 방정식은 소수의 기호로 구성됩니다.”
알베르트 아인슈타인은 서재의 책상에 앉아 카메라를 바라보고 있습니다.
알베르트 아인슈타인은 일반상대성이론을 창안했을 뿐만 아니라 양자역학의 창시자 중 한 사람이었습니다. (위키미디어 공용(CC0))
일반상대성이론은 그 아름다움과 단순함으로 널리 알려져 왔습니다. 그러나 아인슈타인조차도 그의 이론이 모든 것을 설명할 수는 없다는 것을 알고 있었습니다.
Arianrhod 박사는 “이것이 바로 그가 항상 모든 것을 하나로 통합하는 기본 원칙을 찾고 있었던 이유입니다”라고 말합니다.
그러나 아무리 노력해도 아인슈타인은 답을 찾지 못했습니다.
그는 1938년에 보낸 편지에 다음과 같이 썼습니다.
“나의 지성적인 아이들 대부분은 아주 어린 나이에 결국 실망스러운 희망의 묘지에 갇히게 됩니다.”
일반 상대성이론이 완전하지 않다는 것을 아는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다.
블랙홀의 중심에서 우주의 시작을 이해하려고 하면 수학이 불안정해집니다.
“그것이 우리에게 말하는 것은 우리가 알고 있는 상대성이론이 무너지는 지점이 있다는 것입니다.”라고 루이스 교수는 말합니다.
“그리고 그것을 대체할 것이 무엇이든 작용하게 됩니다.”
일반 상대성 이론도 아주 작은 규모에서는 무너집니다.
이것이 양자 이론이 대신하는 곳입니다. 즉, 광자와 전자와 같은 아원자 입자가 어떻게 행동하는지 알려주는 완전히 다른 규칙 세트입니다.
그러나 이것은 근본적으로 양립할 수 없는 우주를 설명하는 두 가지 규칙이 있다는 것을 의미합니다.
양자 수수께끼
일반 상대성과 양자 역학 사이의 이러한 틈을 이해하는 가장 간단한 방법은 두 이론이 세상을 어떻게 구상하는지 비교하는 것입니다.
일반 상대성 이론은 시공간을 연속적인 것으로 보는 반면, 양자 이론은 우주를 더 큰 전체를 구성하는 개별 부분으로 봅니다.
둘 다 사실일 수는 없습니다.
“중력은 항복해야 하는가? 양자역학은 항복해야 하는가? 중간 어딘가에서 만나야 하는가?” 루이스 교수가 묻습니다.
중력이 문제라고 오랫동안 가정되어 왔습니다.
표준 물리학 모형에 따르면 네 가지 기본 힘이 있으며, 각 힘은 서로 다른 유형의 입자에 의해 전달됩니다.
전자기력의 경우, 나는
그것은 광자입니다. 강한 힘은 글루온이다. 그리고 보존은 약한 힘을 가지고 있습니다.
양자물리학의 ‘성경’은 어떻게 작동하는가?
물리학자들이 새로운 입자를 발견할 때마다 표준모델은 슈퍼모델이 되는 데 한 걸음 더 가까워집니다.
Standard_Model_of_Elementary_Particles.jpg
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그렇다면 중력을 전달하는 것은 무엇입니까?
지금까지 우리는 중력이 너무 약하기 때문에 중력을 가능하게 하는 개별 부품을 찾을 수 없었습니다.
중력은 약력보다 약하므로 실험하기가 엄청나게 어렵습니다.
그럼에도 불구하고 열정적인 챔피언이 많은 이론은 많습니다. 결국, 상위권을 차지한 사람들에게 주어지는 상금은 엄청납니다.
루이스 교수는 “[답을] 찾은 물리학자는 노벨상을 받기 위해 스웨덴으로 갈 것임을 알고 있습니다”라고 말합니다.
“이 너트를 깨뜨리면 그것이 당신이 내려가는 길입니다. 왜냐하면 당신은 물리학을 변화시킬 것이기 때문입니다.”
검정색 배경에서 파란색 원의 추상 이미지가 점점 커지고 있습니다.
중력을 전달할 수 있는 제안된 입자는 중력자입니다. (게티 이미지: 데니스 포비토프)
호주국립대학교(ANU)의 물리학자 수잔 스콧(Susan Scott)은 중력의 진정한 본질을 이해하는 것은 “엄청난 의미”를 가질 수 있다고 말합니다.
스캇 교수는 “그것은 자연의 법칙이 어디서 왔는지, 우주가 불확실성을 바탕으로 만들어졌는지, 아니면 결정론적인지 여부를 알려줄 수 있다”고 말했다.
또한 블랙홀에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 우주의 시작인 수수께끼를 풀 수도 있습니다.
그러나 여기에는 노벨상 이상의 것이 걸려 있습니다.
최고의 이론가는 스웨덴 여행을 예약할 수 있을 뿐만 아니라 평생 동안 감자칩을 공급받을 수도 있습니다.
자세한 내용은 나중에… 먼저 참가자들을 만나야 합니다…
끈이론
끈 이론은 아마도 가장 위협적인 개념 중 하나일 것입니다.
그러나 가능한 가장 간단한 용어로 말하면 입자가 작고 진동하는 끈으로 만들어졌다는 것뿐입니다.
끈 이론에서 입자는 1차원 열린 끈과 닫힌 끈입니다. (기피)
“따라서 현의 다양한 조합이 서로 다른 음을 생성하는 음악에서와 마찬가지로, 작은 진동 현도 서로 다른 입자를 생성합니다”라고 Scott 교수는 말합니다.
여기에는 제안된 중력 입자인 중력자가 포함됩니다.
끈 이론은 단순한 양자 중력 이론이 아닙니다. 또한 그것은 모든 것에 대한 이론이 되려고 노력합니다.
끈 이론이 작동하는 데 필요한 차원의 수는 수학적 해석에 따라 다릅니다.
예를 들어 M 이론에는 11개의 차원이 필요합니다.
Scott 교수는 “아인슈타인의 시공간 이론보다 7이 더 많습니다.”라고 말합니다.
초끈 이론에는 10차원이 필요하고 보존 끈 이론에는 무려 26차원이 필요합니다.
Scott 교수는 “아직까지는 이러한 추가 차원이 존재한다는 증거가 전혀 없습니다.”라고 말합니다.
루프 양자 중력
루프 양자 중력 이론은 시공간이 연속적이지 않고, 대신 작고 얽힌 루프의 네트워크로 구성되어 있다는 이론입니다.
이론의 창시자 중 한 명인 이탈리아 물리학자 카를로 로벨리(Carlo Rovelli)는 이 아이디어가 티셔츠와 유사하다고 말합니다. 직물이 연속적으로 보일 수도 있지만 자세히 보면 실을 볼 수 있습니다.
“그러나 실은 우주 그 자체이기 때문에 우주에 있는 것이 아닙니다.”라고 Rovelli 교수는 말합니다.
보다
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물리학자 Carlo Rovelli는 고리 양자 중력과 이것이 시공간을 어떻게 상상하는지 설명합니다.
중력뿐만 아니라 시공간을 양자화할 수 있는 잠재력이 양자 루프 이론을 끈 이론과 차별화하는 요소입니다.
그러나 현재의 모든 양자 중력 이론과 마찬가지로 이는 테스트하기가 어렵습니다.
루프 양자 중력의 루프는 상상할 수 없을 정도로 작습니다(약 0.000000000000000000000000000000000016미터).
Scott 교수는 “이것은 지구상의 어떤 입자 가속기에서도 테스트하는 것이 불가능할 것입니다.”라고 말합니다. 그래서 새로운 실험이 고안되어야 합니다.
시공간 베팅
적어도 University College London의 물리학자인 Jonathan Oppenheim에 따르면 이러한 이론이 수십 년 동안 존재했지만 아직 검증되지 않은 상태로 남아 있다는 사실은 나쁜 징조일 수 있습니다.
오펜하임 교수는 “이렇게 어려운 이유는 우리가 잘못된 방향으로 갔기 때문일 가능성이 있다”고 말했다.
“아마도 중력을 양자화한다는 생각은 잘못된 접근 방식이었을 것입니다.”
오펜하임 교수는 중력을 정량화하지 않고 아인슈타인의 방정식 일부를 수정하는 논란의 여지가 있는 혼합 이론을 연구하고 있습니다.
“아마도 내 동료 중 99%가 나를 괴짜라고 생각했을 것입니다.”라고 그는 말합니다.
“대부분의 사람들은 중력을 수량화해야 한다고 생각합니다.”
카를로 로벨리(Carlo Rovelli)도 그런 사람 중 한 명입니다.
그는 2020년 회의에서 오펜하임 교수의 연설을 들었을 때 너무 격분하여 누구의 이론이 가장 우세할 것인지에 대한 내기에 동의했습니다.
카를로 로벨리는 책에 기대어 앉아서 종이에 서명하고 있습니다.
카를로 로벨리(Carlo Rovelli)가 중력을 양자화할 수 있는지 여부에 대한 내기에 서명하고 있습니다.(제공: Carlo Rovelli)
그들은 1 대 5,000의 확률로 정했습니다. 즉, Rovelli 교수가 이기면 그는 단일 항목(예:
감자칩 한 봉지) 하지만 오펜하임 교수가 이기면 그는 5,000을 받습니다.
하지만 이 내기의 요점은 평생 동안 먹을 수 있는 칩을 얻는 것이 아닙니다. 과학자들이 마음을 바꾸려면 무엇이 필요한지 확립하는 것입니다.
증거 찾기
물리학자들이 중력이 양자 현상임을 증명하려고 하는 방법 중 하나는 중력을 실제로 포착하는 것입니다.
우리는 양자 행동이 어떤 것인지 알고 있습니다. 예를 들어 두 입자가 상호 작용한 다음 먼 거리에 걸쳐 연결된 상태를 유지하는 얽힘이 있습니다.
중력적으로만 상호작용한 입자가 얽혀 있다면 중력이 양자 현상이라는 것을 의미합니다.
오펜하임 교수는 연구실의 새로운 기술이 현장에 새로운 희망을 가져다준다고 말했습니다.
“양자 중력을 테스트하려면 믿을 수 없을 정도로 높은 에너지를 사용해야 한다고 항상 가정되어 왔습니다.”라고 그는 말합니다. “블랙홀을 거의 찾아야 하는 것처럼요.”
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“최근에 우리가 배운 것은 사실이 아니라는 것입니다. 우리가 수행할 수 있는 저에너지 실험이 있습니다.”
올해 초 사우샘프턴 대학교(University of Southampton)에서 한 가지 사례가 나왔습니다. 과학자들은 자석을 사용하여 입자에 대한 중력을 감지했습니다.
그리고 여기 호주에서는 ANU 과학자들이 민감한 레이저를 사용한 양자 중력 실험을 제안했습니다.
Scott 교수는 이러한 탁상 기술이 중력의 비밀을 밝혀낼 수 있는 더 많은 기회를 제공한다고 말합니다.
“아인슈타인이 1915년에 이론을 발표한 이후 중력 연구에 참여하기에 가장 흥미로운 시기일 것입니다.”
하지만 보장된 타임라인은 없습니다. 그 대답은 100년 동안 우리를 암시해왔고, 앞으로 100년 더 암시할 수 있습니다.
“5년 안에 우리는 훨씬 더 앞서 나갈 가능성이 있습니다”라고 Rovelli 박사는 말합니다. “아마도 20년 후에도 우리는 여전히 혼란스러워할 것입니다.”
차세대 아인슈타인이 어디에서 나올지 알고 싶으십니까? RN의 The Science Show에서 ‘아인슈타인은 물리학에 혁명을 일으켰습니다. 이제 현장에서는 그의 이론에 대한 중요한 변화를 모색하고 있습니다.’를 들어보세요.
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8시간 전에 게시됨
The Holy Grail of physics: The quest to find quantum gravity
/
By Shelby Traynor for The Science Show
Posted 8h ago8 hours ago
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There’s a problem with gravity.
It’s a problem that Albert Einstein identified more than 100 years ago.
It’s a problem we could be on the cusp of solving, or that could take another century to untangle.
And the problem is that we don’t fully understand how gravity works.
“People have been hitting this scientific problem with sledgehammers for a long time,” says astrophysicist Geraint Lewis from the University of Sydney.
“And it just refuses to yield.”
We know what gravity does. It keeps us on our feet. It keeps the Earth orbiting around the Sun.
And thanks to Einstein’s theory of gravity, we know enough to map the path of orbiting planets and colliding galaxies.
His theory of general relativity has been unsurpassable since it was published in 1915.
“But there are places where relativity breaks down,” Professor Lewis says.
The equations stop giving us the answers we need.
So for more than 100 years, physicists have been searching for a new theory to explain what Einstein could not.
It’s both a serious quest to advance fundamental physics … and a not-so-serious wager on the nature of space-time.
Einstein’s incomplete theory of gravity
The theory of general relativity tells us that gravity is the curvature of space-time.
Massive objects, like the Sun, warp the space and time around them. This causes objects like the Earth to move in a particular orbit.
This was a departure from Isaac Newton’s view of gravity, which dominated physics for 200 years.
Newton saw gravity as a force separate from space and time — while Einstein saw gravity as a product of space-time.
For mathematician Robyn Arianrhod, an affiliate of Monash University, general relativity is “one of the most extraordinary creations of the human mind”.
The theory’s predictions keep coming true — even when Einstein himself doubted they would.
From the first observations of light bent by the Sun during a solar eclipse in 1919, to the detection of tiny ripples in the fabric of space-time known as gravitational waves in 2015.
“I mean, how powerful is that?” Dr Arianrhod says. “And the equations are a handful of symbols long.”
General relativity has been heralded for its beauty and simplicity. But even Einstein knew his theory could not explain everything.
“That’s why he was always searching for the underlying principles that would incorporate everything together,” Dr Arianrhod says.
But try as he might, Einstein couldn’t find the answer.
As he wrote in a letter in 1938:
“Most of my intellectual children, at a very young age, end up in the graveyard of disappointed hopes.”
There are a few reasons we know general relativity isn’t complete.
At the heart of black holes, and when we try to make sense of the start of the universe, the mathematics goes wonky.
“What it’s telling us is that there’s a point where relativity as we know it breaks down,” Professor Lewis says.
“And whatever is going to replace it comes into play.”
General relativity also breaks down at the very small scale.
This is where quantum theory takes over — an entirely different set of rules that tells us how subatomic particles, such as photons and electrons, behave.
But this means we have two sets of rules to explain the universe which are fundamentally incompatible.
A quantum conundrum
The simplest way to understand this chasm between general relativity and quantum mechanics, is to compare how both theories envision the world.
While general relativity sees space-time as continuous, quantum theory sees the universe as discrete parts that make up a bigger whole.
They can’t both be true.
“Does gravity have to yield? Does quantum mechanics have to yield? Do they have to meet somewhere in the middle?” Professor Lewis asks.
It has long been assumed that gravity is the problem.
According to the Standard Model of Physics there are four fundamental forces, each of which are carried by different types of particles.
For the electromagnetic force, it’s the photon. For the strong force it’s the gluon. And bosons carry the weak force.
How does the ‘Bible’ of quantum physics work?
So what carries the gravitational force?
So far we haven’t been able to find the discrete parts that make gravity possible, in part because it’s so weak.
Gravity is weaker than even the weak force — and therefore incredibly difficult to experiment with.
Still, there are many theories with many passionate champions. After all, the prize for those who come out on top is hefty.
“The physicist that finds [the answer] knows they’ll be on their way to Sweden to pick up a Nobel Prize,” Professor Lewis says.
“If you crack this nut, that’s the path that you’re going down. Because you will change physics.”
Understanding the true nature of gravity could have “staggering implications,” says physicist Susan Scott of the Australian National University (ANU).
“It could tell us where the laws of nature come from, whether the cosmos is built on uncertainty or whether it’s deterministic,” Professor Scott says.
It could also give us new insight into black holes, and closure on the enigma that is the start of the universe.
But there’s more than Nobel Prizes at stake here.
The theorist that comes out on top could not only book a trip to Sweden, but find themselves with a lifetime supply of potato chips.
More on that later … first we need to meet the contestants …
String theory
String theory is perhaps one of the most intimidating concepts out there.
But in the simplest terms possible, all it proposes is that particles are made from tiny, vibrating strings. In string theory particles are one-dimensional open and closed strings. (GIPHY)
“So just like in music, where different combinations of strings produce different notes, tiny vibrating strings produce different particles,” Professor Scott says.
That would include the proposed particle for gravity — the graviton.
String theory is not just a theory of quantum gravity. It also endeavours to be a theory of everything.
The number of dimensions required to make string theory work differs depending on the mathematical interpretation.
M-theory, for example, requires 11 dimensions.
“Which is seven more than we have in Einstein’s theory of space-time,” Professor Scott says.
Superstring theory requires 10 and bosonic string theory requires a whopping 26 dimensions.
“As yet, there’s not a shred of evidence that these extra dimensions exist,” Professor Scott says.
Loop quantum gravity
Loop quantum gravity theorises that space-time isn’t continuous, instead it’s made up of a network of tiny, interwoven loops.
Italian physicist Carlo Rovelli, one of the founders of the theory, says the idea is akin to a t-shirt: the fabric might seem continuous, but if you look closely you can see the threads.
“But the threads are not in space, because they are space themselves,” Professor Rovelli says.
The potential to quantise space-time — not just gravity — is what sets quantum loop theory apart from string theory.
However, like all current theories of quantum gravity, this is difficult to test.
The loops in loop quantum gravity would be inconceivably small — about 0.000000000000000000000000000000000016 metres.
“This would be impossible to test in any particle accelerator on Earth,” Professor Scott says. And so new experiments need to be devised.
Betting on space-time
The fact these theories have been around for decades and yet remain untested might be a bad omen — at least according to Jonathan Oppenheim, a physicist at University College London.
“It’s possible the reason it’s become so difficult is because we’ve gone off in the wrong direction,” Professor Oppenheim says.
“Perhaps the idea of quantising gravity has been the wrong approach.”
Professor Oppenheim is working on a controversial hybrid theory that does not quantise gravity, and also modifies some of Einstein’s equations.
“I think probably 99 per cent of my colleagues thought I was a crackpot,” he says.
“Most people think we should quantise gravity.”
Carlo Rovelli is one of those people.
When he heard Professor Oppenheim speak at a conference in 2020 he was so riled up, he agreed to a wager on whose theory would come out on top.
They settled on one-to-5,000 odds, meaning if Professor Rovelli wins he gets a single item (like a packet of crisps) but if Professor Oppenheim wins he gets 5,000.
However the point of this bet isn’t to earn a lifetime supply of crisps. It’s to establish what it would take for the scientists to change their minds.
Finding proof
One of the ways physicists are trying to prove gravity is a quantum phenomenon, is by catching it in the act.
We know what quantum behaviour looks like. An example is entanglement, where two particles interact and then remain connected over vast distances.
If those particles became entangled, having only ever interacted gravitationally, it would imply that gravity is a quantum phenomenon.
Professor Oppenheim says emerging techniques in the lab bring new hope to the field.
“It has always been assumed that we had to go to incredibly high energies in order to test quantum gravity,” he says. “Like we almost have to find black holes.”
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“What we’ve learned recently is that’s not the case. There are low-energy experiments we can perform.”
One example came out of the University of Southampton earlier this year, where scientists used magnets to detect the gravitational pull on a particle.
And here in Australia, where ANU scientists have proposed quantum gravity experiments using sensitive lasers.
Professor Scott says these tabletop techniques give us more opportunities to uncover gravity’s secrets.
“This is probably the most exciting time to be involved in gravity research since Einstein presented his theory in 1915.”
There isn’t a guaranteed timeline, though. The answer has alluded us for 100 years, and could allude us for 100 more.
“It’s possible that in five years, we’re much more ahead,” Dr Rovelli says. “As it is possible that in 20 years we’re still confused.”
Want to know where the next Einstein might come from? Listen to ‘Einstein revolutionised physics, now the field is hunting for a vital shake-up of his theories‘ on RN’s The Science Show.
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Posted 8h ago