알버트 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론 이후 시공간의 곡선으로 중력을 재발 한 이후, 물리학 자들은 그의 작품이 마지막 단어인지 궁금해했다. 프로 드딩과 조정으로, 그들은 아인슈타인의 중력을 수정하거나 대체하려고 노력했지만, 모델을 계속 더 넓은 관찰 범위 내에서 유지하면서
이러한 아이디어 중 다수는 Quantum Mechanics의 언어로 중력을 재구성하려고 시도하며, 그 중에 중력이라고 불리는 가상 입자는 중력을 가지고 있습니다. 이 중력은 질량이 없습니다. 즉, 이론적으로는 광자 (전자기 힘의 캐리어)가 우주의 가장자리를 볼 수있는 것처럼 무한 거리를 이동할 수 있습니다.
그러나 또 다른 가능성이 있습니다. 1930 년대에 Wolfgang Pauli와 Markus Fierz는 질량이있는 중력을 제안했습니다. 물리학 자들이 거대한 입자가 약하고 강한 힘을 가지고 있음을 발견 한 후 1970 년대 에이 아이디어가 더 그럴듯 해졌다. 중력의 힘이 같은 방식으로 작동 할 수없는 이유는 무엇입니까?
그러나“유령”은 곧 이러한 거대한 중력 이론을 괴롭 혔습니다.
친숙한 세상에서 물체를 움직이기 위해서는 에너지를 주어야합니다. 그러나 이러한 거대한 중심 모델에서는 물체를 움직이려고하면 에너지를 되돌립니다. 이것은 에너지가 보존되어야한다는 기반암 원칙에 위배되며 모든 종류의 문제로 이어집니다. Imperial College London의 이론적 물리학자인 Claudia de Rham은“우주 전체가 점점 더 미치게되기 위해 에너지가 점점 더 미치지 않기 때문에 우주 전체가 완전히 미치지 못하게하는 것은 아무것도 없습니다. "우리는 그것을 유령이라고 부릅니다. 그냥 일어날 수없는 일이기 때문입니다."
이러한 필수적인 결함에 직면 한 이론가들은 앤드류 톨리 (Andrew Tolley)와 그레고리 가바 다다 제 (Gregory Gabadadze)와 함께 드 람 (De Rham)이 현 상태를 뒤집은 급진적 인 논문을 출판 할 때까지 거대한 중력에 대한 관심을 잃기 시작했다. De Rham과 그녀의 공동 작업자들은 거대한 중력 모델에 추가 차원을 추가함으로써 유령을 피하고 수학적으로 그럴듯한 이론에 대한 세기의 희망을 다시 시작할 수있었습니다.
그러나 왜 거대한 중력에 전혀 귀찮게합니까? De Rham은 중력을 수정하면 우주론의 가장 큰 신비 중 하나 인 암흑 에너지를 해결할 수 있기를 희망합니다. 20 년 전, 우주 학자들은 우주의 확장이 가속화되고 있음을 발견했습니다. 그 이후로 물리학 자들은 원인이 무엇인지 당황했습니다. 우주를 가로 질러 닿지 않는 거대한 중력은 우주가 왜 그렇게 행동하는지 설명 할 수있을 것입니다.
DE RHAM의 가장 흥미로운 것은 중력파 감지기가 더 많은 냉담한 아이디어에 대해 대규모 중력 이론을 테스트 할 수 있다는 가능성입니다. De Rham은“중력파는 수정 된 중력의 다양한 이론을 테스트 할 수있는 기회입니다.
Quanta Covid-19 Pandemic 동안 화상 통화를 통해 런던의 집에서 De Rham과 대화했습니다. 그녀는 연구와 교육 약속을 유지하면서 세 자녀를 홈 스쿨링해야 함에도 불구하고 편안하고 웃었습니다. 그녀는 침실에서 아이들로부터 피난처를 찾았고, 우리는 2 시간 동안 코스모스의 진화를 표현하고 때로는 웹캠과 충돌하는 De Rham의 표현적이고 활기찬 손동기를했습니다. 인터뷰는 명확성을 위해 압축되고 편집되었습니다.
당신은 중력을 공부하기 위해 경력을 바쳤습니다. 왜 그렇게 중요한가?
중력은 우주의 전체 진화를 지배하는 힘입니다. 중력의 법칙은 우주가 물질과 에너지에 어떻게 반응하는지 알려줍니다. 실제로는 전혀 중요합니다. 우리가 우주의 시작 부분에서 중력을 끄는 경우, 그것은 여전히 기본 입자의 크고 끓는 뜨거운 수프 일 것입니다. 구조가 없었을 것입니다 :은하, 별, 행성 없음 - 생각할 것이 없습니다.
그런 다음 기본 수준에서 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 공간과 시간의 전체 개념은 중력에서 비롯됩니다. 모든 것이 궁극적으로 중력 안에 포함되어 있습니다.
항상 우주에 매료 되었습니까?
내가 어렸을 때 부모님은 많이 이사했습니다. 나는 어린 시절의 대부분을 마다가스카르에서 보냈지 만 페루에서 한동안 살았고 르완다도 살았습니다. 실제로 집이 없다면 지구 전체에 대한 아이디어가 더 많습니다. 그래서 저는이 생각에서 우리가 지구상의 매우 작은 실체이며 지구 자체가 우주에서 매우 작은 실체라는 것에 대한 열정을 가지고있었습니다. 그리고 나는 이해하려고 노력하기 시작했다 :나를 둘러싼이 우주는 무엇입니까?
당신은 한때 조종사로 훈련을 받았으며 유럽 우주국 우주 비행사 선발 과정의 여러 단계를 거쳤습니다. 당신은 자신을 모험가로 보입니까?
나는 우주 비행사가되고 싶었을 것입니다. 우주 비행사가되는 것은 그곳에 가서 우리를 둘러싼 것을 조사하는 궁극적 인 아이디어입니다. 나는 또한 어릴 때부터 스쿠버 다이빙을 갔는데, 그것은 같은 생각입니다. 당신은 데이터와 이미지를 탐구하기보다는 물리적으로 자신을 넣어서 당신에게 알려지지 않은 새로운 것을 탐구하고 있습니다. 당신은 정말로 관찰하고 있습니다 - 당신은 그것의 일부이며, 그것은 당신의 관점을 완전히 변화시킵니다.
아인슈타인의 일반적인 상대성은 그렇게 잘 작동하는 것 같습니다. 중력을 수정 해야하는 이유는 무엇입니까?
빅뱅 이후, 우주는 확장되고 식었다. 그리고 우리는 우주가 은하와 같은 것들이 있기 때문에이 확장이 점차 느려질 것으로 기대합니다. 그리고 그들은 중력으로 서로 끌립니다. 그러나 지난 25 년 동안 관찰은 정확히 반대의 것으로 나타났습니다. 우주의 확장은 속도가 높아지고 있습니다. 가속화되고 있습니다. 이것이 암흑 에너지의 개념이며, 우주에 대한 우리의 설명에서 우리가 놓친 것을 가리 킵니다.
암흑 에너지는 때때로 우주의 확장을 가속화하는이 신비하고 마법의 에너지 원으로 여겨집니다. 그러나 이것은 실제로 문제의 핵심이 아닙니다. 우리는 암흑 물질과 마찬가지로 암흑 에너지를 위해 무언가를 요리 할 수 있으며 나중에 그것을 감지하기를 바랍니다. 특히 만족 스럽지는 않지만 우리는이 작업을 수행했습니다. 실제로, 문제의 핵심은 우리 가이 문제를 해결하는 데 필요한 암흑 에너지의 양과 자연스러운 양의 암흑 에너지가 무엇인지에 대한 완전한 불일치가 있다는 것입니다.
암흑 에너지의 에너지 밀도는 엄청나게 작습니다. 너무 작아서 작은 양으로 바꾸면 우주가 어떻게 진화했는지, 어떤 구조가 형성되지 않았고 우리가 존재하지 않을 것이라는 점까지 큰 변화를 가져옵니다. 우리가 그런 정확한 튜닝, 즉 약 120 개 자리에 의존한다고 생각하는 것은 매우 불안합니다. 과학의 역사에서 전례가 없습니다.
우리는 우스운 대답을 생각해 내고 있으며, 우리가 그곳에 도망가는 길을 따라 모든 단일 가정을 다시 활용해야합니다.
과 같은?
아인슈타인의 일반 상대성 방정식을 두 가지 방법으로 바꾸는 것에 대해 생각할 수 있습니다. 방정식의 오른쪽은 우주의 내용, 즉 질량과 에너지를 가진 모든 것을 설명합니다. 왼쪽에는 시공간의 곡률을 설명하는 메트릭 텐서가 있습니다.
암흑 에너지를 생각할 때 오른쪽에 새로운 것들을 추가하지만 이것은 수학적으로 지식 부족을 설명합니다. 당신은 실제로 새로운 통찰력을 추가하지 않습니다.
중력을 수정하면 시공간이 무엇인지 (왼쪽)의 뿌리로 돌아가서 수정하는 수정이 있는지 확인하려고합니다. 당신은 중력의 본질이 무엇인지 깊이 탐구하고 있습니다.
어떤 종류의 수정이 의미가 있습니까?
우리는 광자라고 불리는 입자에 의해 매개되는 힘으로 생각하는 전자기와 비유하는 것이 유용합니다. 광자는 질량이 없으므로 전자기는 무한 범위를 가지고 있습니다. 그렇다고해서 무한 거리가 멀다 고한다면이 힘이 여전히 죽을 것이라고 느낄 것입니다. 그러나 예리한 컷오프는 없습니다. 점진적인 부패입니다.
아인슈타인의 일반 상대성 이론에서, 당신은 중력을 질량이없는 입자로 생각하므로 중력의 힘은 무한 범위를 가지고 있습니다. 중력의 변형은 어느 시점에서 전환이 발생한다는 것을 의미합니다. 본질적으로, 중력의 힘은 매우 먼 거리에서 꺼집니다. 따라서 더 이상 우주의 확장이 느려질 것으로 예상 할 이유가 없습니다.
당신은 아인슈타인의 방정식에 흡수되는 시간을 보냅니다. 일반 상대성에 당신을 끌어들이는 것은 무엇입니까?
이 방정식을 더 많이 연구할수록 그들의 아름다움과 깊이를 더 많이 깨닫게됩니다. 아인슈타인은 아인슈타인의 원칙이라는 일부 기둥에 일반적인 상대성을 구축했습니다. 하나는 동등성 원칙입니다. 물리 법칙은 확실히 그 물리학을 관찰하는 사람에 의존해서는 안됩니다. 오른쪽? 우리 이론에서 우리가 원하는 것 같지만 처음부터 설정된 큰 가정입니다.
이제 우리는 이러한 원칙이 얼마나 더 근본적인지를 깨닫고 있습니다. 중력 측면에서 중력에 대해 생각하기 시작하면이 모든 기둥이 실제로 이론을 안정적으로 요구함으로써 실제로 나타납니다. 우주에 구조를 얻으려면 우리가 존재하기 위해서는 특별한 관찰자가 없다는 아름다운 대칭도 필요합니다.
일반 상대성에 대해 내가 놀라운 또 다른 것은 그것이 작동을 멈출 때 정확하게 알려주는 것입니다. 일반 상대성의 법칙 중에서 블랙홀이 나옵니다. 외부에서, 우리는 블랙홀을 너무 커서 빛조차도 탈출 할 수없는 물체라고 생각합니다. 그런 다음 블랙홀 안으로 들어가면 시공간이 단독이라고 불리는 무한 곡률이있는 지점에 도달합니다. 여기서 일반적인 상대성이 분해됩니다. 빅뱅 특이점도 마찬가지입니다. 당신이 시간을 거슬러 올라가면 우주의 곡률이 무한한 지점에 도달합니다. 그리고 그것은 우리에게 다음과 같이 말하는 일반적인 상대성 이론 일뿐입니다.“좋아요, 더 이상 나를 믿지 마십시오. 통제 할 수 없습니다.” 그래서 우리는 일반적인 상대성 이론이 더 근본적인 무언가에서 나오고 있음을 알고 있습니다.
그러나 일반적인 상대성 이론은 우주의 나머지 부분을 잘 묘사하는 것으로 보입니다.
당신은 모든 예측과 일치하는 관찰을 망치지 않는 방식으로 중력을 수정하려고합니다.
따라서 변경 사항은 작아야합니까?
좋아요. 예를 들어, 중력이 질량을 가지고 있다면, 우리가 알고있는 가장 가벼운 거대한 입자 인 중성미자보다 훨씬 작아야합니다.
수정 된 중력 이론에 대한 일반 상대성 이론을 어떻게 테스트합니까?
먼저 우리는 중력의 약간의 수정이 태양계에서 행성의 움직임에 얼마나 영향을 미치는지 생각할 수 있습니다. 이 모델에 가장 강력한 제약 조건 중 일부는 태양계 내에 있습니다. 우리는 여기서 중력을 잘 이해하기 때문입니다.
중력파는 어떻습니까?
Ligo에서 중력파의 첫 번째 감지 (레이저 간섭계 중력 파 전망대-우리는 이미 중력이 얼마나 빛이어야하는지에 이미 구속 될 수있었습니다.
두 개의 블랙홀이나 중성자 별이 병합되면 서로 더 빠르고 빠르게 회전하여 더 가까워지고 가까워집니다. 그리고 그들은 두 물체가 얼마나 빨리 움직이는 지에 대한 주파수가있는 중력파를 만들어 주파수가 합쳐지면서 주파수가 약간 높아집니다.
일반적으로 상대성 이론에서 파도는 주파수에 관계없이 같은 속도로 이동해야합니다. 거대한 중력의 경우 중력파의 속도는 주파수에 따라 다릅니다. 매우 작은 효과이지만 중력파는 높은 정밀도로 관찰되었습니다. 우리는 이미 중력 질량이 10 개의 전자 볼트 미만이어야한다고 이미 말할 수 있습니다. [ 편집자 주 :전자보다 약 26 배 더 가볍습니다. ] 그것은 믿어지지 않습니다! 광자의 질량보다 훨씬 정확합니다. 우리는 수백 년 동안 빛을 공부해 왔습니다.
더 많은 모델이 배제됨에 따라 일반 상대성 이론이 더 매력적으로 보입니까?
지난 20 년 동안, 나는 아인슈타인의 중력 이론이 아마도 저 에너지에서 우주에 대한 올바른 설명 일 것임을 알게되었으므로 아마도 우리는 그것을 수정해서는 안된다.
.그러나 우리가 말하고 싶다면 일반 상대성을 비교할 대안이 필요합니다. 이것은 단지 과학적 접근 일뿐입니다. 우리는 일반 상대성이 더 큰 클래스의 모델에서 상상하지 않고 일어나고있는 일에 대한 올바른 설명이라고 주장 할 수 없습니다. 그래야 우리는 일반 상대성 이론을 실제로 이해하고, 그것이 독특하다는 것을 알고 있으며 그것이 올바른 설명이라는 것을 알 수있을 것입니다.
편집자 주 :이 인터뷰 후 몇 주 후 Claudia de Rham은 였습니다. Simons 수사관으로 지명되었습니다 Simons Foundation 에서이 편집자 독립 잡지에 자금을 지원하는 조직. Simons Foundation 자금 지원 결정은 우리의 보도와 관련이 없습니다. 제발 이 페이지를 참조하십시오 자세한 내용은
수정 :2020 년 8 월 20 일
이 Q &A의 메모는 원래 중력이 전자보다 최소 10 배 더 가벼워 야한다고 언급했다. 가볍지 만 빛은 아닙니다. 올바른 그림은 26 배입니다.
