물리학 자들은 우리 우주와 충돌하는 양자 규칙을 다시 작성합니다.

삐걱 거리는 소리는 현대 물리학을 분열시킵니다. 한쪽에는 아 원자 입자를 확률 적 파로 묘사하는 양자 이론이 있습니다. 다른 한편으로는 일반적인 상대성 이론, 공간과 시간이 구부러 질 수 있다는 아인슈타인의 이론은 중력을 유발합니다. 90 년 동안 물리학 자들은 양자 역학과 중력을 모두 포함하는 현실에 대한보다 근본적인 설명 인 화해를 찾아 왔습니다. 그러나 퀘스트는 가시적인 역설에 반대했다.

힌트는 문제의 적어도 일부가 양자 역학의 중심에있는 원칙, 세계가 어떻게 작용하는지에 대한 가정과 관련이 있다고 주장하고있다.

원칙이 불리는 단원은 항상 어떤 일이 발생한다고 말합니다. 입자가 상호 작용할 때, 가능한 모든 결과의 확률은 100%로 합계해야합니다. 단일 성은 원자와 아 원자 입자가 어떻게 순간마다 진화 할 수 있는지를 심각하게 제한합니다. 또한 변화가 양방향 거리임을 보장합니다. 적어도 종이에서는 양자 규모의 상상할 수있는 이벤트가 취소 될 수 있습니다. 이러한 요구 사항은 유효한 양자 공식을 도출하기 때문에 오랫동안 안내 된 물리학 자입니다. 일리노이 대학교의 조교수 인 요나타 칸 (Yonatan Kahn)은“언뜻보기에는 약간 사소한 것처럼 보이지만 매우 제한적인 조건입니다.

그러나 한때 필수 스캐 폴드처럼 보였던 것은 물리학자가 양자 역학과 중력을 조정하는 것을 막는 스티브 스토리 재킷이되었을 수 있습니다. 캐나다 워털루의 이론적 물리학 연구소의 이론가 인 비앙카 디 트리 크 (Bianca Dittrich)는“양자 중력의 단원은 매우 열린 질문입니다.

주요 문제는 우주가 확장되고 있다는 것입니다. 이 확장은 일반 상대성으로 잘 설명되어 있습니다. 그러나 그것은 우주의 미래가 과거와 완전히 다르게 보인다는 것을 의미하는 반면, 단원은 양자 수준에서 과거와 미래 사이에 깔끔한 대칭을 요구한다는 것을 의미합니다. 산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학의 양자 중력 이론가 인 스티브 기 딩스 (Steve Giddings)는“긴장이 있고, 생각하면 상당히 당황 스럽습니다.

이 갈등에 대한 우려는 몇 년 동안 공중에있었습니다. 그러나 최근에, 두 개의 양자 중력 이론가들은 성장하는 우주에 더 잘 맞도록 Unitarity의 버클을 느슨하게하는 방법을 찾았을 것입니다. 하버드 대학교의 Andrew Strominger와 Jordan Cotler는 Isometry라는보다 편안한 원칙이 확장 된 우주를 수용 할 수 있지만 여전히 단일의 가이드 라이트를 처음으로 만든 엄격한 요구 사항을 충족시킬 수 있다고 주장합니다.

Strominger는“단일성이 필요하지 않습니다. “단원은 조건이 너무 강하다.”

많은 물리학 자들은 아이소 메 트리 제안을 받아들이고 있지만, 일부는 독립적으로 비슷한 결론을 내렸다. - 업데이트가 너무 급진적인지 급진적인지에 대한 의견은 다양하다.

고정 합계

일상 생활에서 사건은 단일 방식으로 도울 수는 없지만 경기를 펼칠 수는 없습니다. 예를 들어, 동전 던지기는 머리 나 꼬리를 올릴 확률이 100%입니다.

그러나 한 세기 전, 양자 역학의 선구자들은 놀라운 발견을했다. 놀랍게도 수학적으로 양자 세계는 확률이 아니라 진폭으로 알려진 더 복잡한 숫자에 의해 작동한다는 것이 놀랍습니다. 진폭은 본질적으로 입자가 특정 상태에있는 정도입니다. 긍정적, 부정적 또는 상상사 일 수 있습니다. 특정 상태에서 실제로 입자를 관찰 할 확률을 계산하기 위해, 물리학자는 진폭을 제곱합니다 (또는 진폭이 가상의 숫자 인 경우 절대 값을 제곱하는 경우). Unitarity는 이러한 확률 (실제로 모든 진폭의 제곱)의 합이 1과 같아야한다고 말합니다.

우리가 실제로 보는 결과를 계산하기위한 숨겨진 진폭의 제곱이 단일 치아를주는 것은이 뒤틀림입니다. 입자의 상태가 변하면 (자기장을 통해 날아가거나, 다른 입자와 충돌 함) 진폭도 변합니다. 입자가 어떻게 진화하거나 상호 작용할 수 있는지를 해결할 때, 물리학 자들은 진폭이 정사각형의 고정 된 합을 방해하는 방식으로 결코 변하지 않는다는 사실을 사용합니다. 예를 들어, 1920 년대 에이 단가 요구 사항은 영국 물리학 자 폴 디락 (Paul Dirac)이 반물질의 존재를 암시하는 방정식을 발견하도록 안내했다. Dirac은“내 사랑에 맞지 않는 이론을 고려하는 데 관심이 없었습니다.

물리학 자들은 입자의 양자 상태가 입자에 이용 가능한 모든 상태를 나타내는 추상 공간 인 힐버트 공간에서 어떻게 움직이는 지 추적함으로써 확률과 진폭을 유지합니다. 입자의 진폭은 힐버트 공간의 좌표에 해당하며 물리학 자들은 매트릭스라고 불리는 수학적 물체로 입자의 변화를 캡처하여 좌표를 변형시킵니다. 단원은 물리적으로 허용되는 변화는 좌표의 제곱의 합이 1.

그것은 철학적 결과를 가진 수학적 사실입니다. 시간이 지남에 따라 약간의 변화에 ​​해당하는 특정 단일 매트릭스를 알고 있다면, 양자 상태는 미래로 회전 시키거나 과거로 만들 수 없습니다. 그것은 항상 힐버트 공간의 또 다른 생존 상태에 착륙 할 것이며, 절대 자라거나 줄어들지 않습니다. Cotler는“과거는 미래를 완전히 결정하고 미래는 과거를 완전히 결정합니다. "정보가 생성되거나 파괴되지 않는다는 진술과 관련이 있습니다."

그럼에도 불구하고,이 기초 적 가정은 우리를 둘러싼 우주와 충돌하는 것 같습니다.

우주 충돌

은하들이 더 멀리 떨어져 날고 있습니다. 우리의 확장 된 우주는 일반 상대성의 방정식에 대한 완벽하게 유효한 솔루션이지만, 물리학 자들은 입자를 어디에 그리고 어떻게 행동 해야하는지에 대한 옵션의 확장 된 옵션을 제시함으로써 양자 역학에 대한 성장 철자가 점점 더 깨닫고 있습니다. 공간이 자라면서 힐버트 가능성의 공간이 어떻게 자라지 않을 수 있습니까? 뉴저지 주 프린스턴의 고급 연구 연구소의 이론적 물리학자인 Nima Arkani-Hamed는“우주에서 우주에 더 많은 자유가 있다는 것은 사실입니다.

Strominger는“수년 동안 방에있는 코끼리라고 느꼈습니다.

Giddings는 단일이자 확장 된 우주에 설정된 역설적 사고 실험으로 문제를 선명하게합니다. 우주의 현재 상태를 취하고 Giddings는 말했다. 그리고“하나의 무해한 광자”를 추가했다고 상상해보십시오. Unitarity는 우리가 과거 에이 우주가 어떻게 생겼는지 계산할 수 있어야한다고 주장하며, 우리가 원하는만큼 양자 상태를 비교할 수 없습니다.

그러나 우주의 상태를 다시 생각하고 여분의 광자가 글리치를 만듭니다. 과거에 들어가면 우주는 점점 작아지고 광자 파장도 줄어 듭니다. 우리의 진정한 우주에서는 이것이 문제가되지 않습니다. 광자는 일부 아 원자 과정을 통해 창조의 순간까지 줄어 듭니다. 그 과정의 반전은 사라질 것입니다. 그러나 여분의 광자는 그 특별한 과정에 의해 만들어지지 않았으므로 시간을 되돌릴 때 사라지는 대신 파장은 결국 불가능하게 작아서 에너지가 크게 집중되어 광자가 블랙홀로 무너집니다. 이것은 역설을 만들어냅니다.이 가상의 확장 우주에서 미세한 블랙홀이 광자로 전환된다는 것을 의미합니다. 사고 실험은 단일성과 우주 확장의 순진한 매시업이 작동하지 않음을 시사합니다.

Dittrich는 Unitarity가 더 일반적인 근거에서 비린내 냄새가 나는 것이라고 생각합니다. 양자 역학은 시간을 절대적으로 취급하지만 일반적인 상대성은 시계의 진드기를 엉망으로 만들어 한 순간에서 다음 순간으로의 변화 개념을 복잡하게 만듭니다. "나는 개인적으로 단원에 크게 의존하지 않았다"고 그녀는 말했다.

문제는 :어떤 종류의 대체 프레임 워크가 우주 확장과 양자 이론의 엄격한 수학을 모두 수용 할 수 있습니까?

단원 2.0

작년에 Strominger는 양자 중력 연구와 양자 정보 이론 사이의 시간을 Quantum States에 저장 한 정보에 대한 연구를 나누는 Cotler와의 협력을 강타했습니다. 듀오는 Quantum Information 이론에 확장 된 우주와 유사한 Quantum Error Correction, 양자 상태로 만든 작은 메시지가 더 큰 시스템 내부에서 중복되는 체계가 있음을 깨달았습니다. 아마도 그들은 젊은 우주의 내용이 현대의 코스모스의 부은 형태에 비슷하게 꿰매어 있다고 생각했을 것입니다.

Strominger는“뒷받침 된 대답은 이것이 양자 인코딩을하는 사람들이 정확히 일하는 것입니다.

올해 초 논문에서, 두 사람은 양자 오류 수정 코드가 아이소 메트리로 알려진 변환 클래스에 집어 넣었습니다. 아이소 메트릭 변화는 유연성이 추가 된 단일 변화와 유사합니다.

가능한 두 위치를 차지할 수있는 전자를 생각해보십시오. Hilbert 공간은 두 위치에서 가능한 모든 진폭 조합으로 구성됩니다. 이러한 가능성은 원의 지점으로 상상할 수 있습니다. 모든 지점은 수평 및 수직 방향에 약간의 값이 있습니다. 단일 변화는 원 주위의 상태 회전을하지만 가능성 세트를 확장하거나 축소하지 않습니다.

그러나 등각 변화를 시각화하기 위해이 전자의 우주가 세 번째 위치를 허용하기에 충분히 부풀어 오르게하십시오. 전자의 힐버트 공간은 자라지 만 특별한 방식으로 :또 다른 차원을 얻습니다. 원은 구체가되어 입자의 양자 상태가 세 위치의 혼합물을 수용하기 위해 회전 할 수 있습니다. 원의 두 상태 사이의 거리는 변화에 따라 안정적으로 유지됩니다. 요컨대, 옵션은 증가하지만 비 물리적 결과는 증가하지 않습니다.

Giddings는“아이소 메트리와의 협력은 일종의 일반화입니다.”라고 Giddings는 말했다. "그것은 본질의 일부를 유지합니다."

우리 우주는 실제 공간이 확장됨에 따라 지속적으로 확산되는 수많은 차원을 가진 힐버트 공간을 가질 것입니다. Strominger와 Cotler는 더 간단한 개념 증명으로서 후퇴 거울로 끝나는 라인으로 구성된 장난감 우주의 확장을 연구했습니다. 그들은 우주가 한 길이에서 다른 길이로 자랄 확률을 계산했습니다.

이러한 계산을 위해, 양자 실무자들은 종종 chentum 시스템이 제 시간에 어떻게 진화하는지 예측하는 Schrödinger 방정식을 사용합니다. 그러나 Schrödinger 방정식에 의해 지시 된 변화는 완벽하게 가역적입니다. Arkani-Hamed는“인생의 문자 그대로의 목적은 단일성을 시행하는 것”이라고 말했다. 대신 Strominger와 Cotler는 The Path Integral이라는 Richard Feynman이 꿈꾸는 대체 버전의 Quantum Mechanics를 사용했습니다. 양자 시스템이 일부 출발점에서 종말점으로 가져갈 수있는 모든 경로를 집계하는이 방법은 새로운 상태 (여러 종말점으로 이어지는 분기 경로로 나타남)를 수용하는 데 어려움이 없습니다. 결국, Strominger와 Cotler의 경로는 장난감 코스모스의 성장을 캡슐화하는 매트릭스를 뱉어 냈으며, 실제로는 단일이 아닌 아이소 메트릭 매트릭스였습니다.

Cotler는“확장 된 우주를 묘사하고 싶다면 Schrödinger 방정식이 제대로 작동하지 않을 것입니다. "그러나 Feynman 공식에서는 자체의 의지에 대해 계속 노력하고 있습니다." Cotler는 이소계를 기반으로 양자 역학을 수행하는이 대안적인 방법은“확장 된 우주를 이해하는 데 더 유용 할 것”이라고 결론 지었다.

가능성의 신기루

편안한 단위는 giddings와 다른 사람들에게 어려움을 겪은 사고 실험에서 결함을 해결할 수 있습니다. 그것은 과거와 미래의 관계에 대한 우리의 생각과 우주의 상태가 실제로 가능하다는 개념적 변화를 통해 그렇게 할 것입니다.

이소계가 문제를 해결하는 이유를 확인하기 위해 Cotler는 장난감 우주를 묘사합니다. 장난감 우주는 0 또는 1 (2 차원 힐버트 공간)의 두 가지 초기 상태 중 하나에서 태어난 장난감 우주를 설명합니다. 그는이 우주의 확장을 지배하기위한 아이소 메트릭 규칙을 구성합니다. 모든 순간에 각각의 0은 01이되고 각각 각각은 10이됩니다. 우주가 0에서 시작하면 첫 번째 세 모멘트는 다음과 같이 자랍니다 :0 → 01 → 0110 → 01101001 (8D 힐버트 공간). 그것이 1에서 시작되면, 그것은 10010110이됩니다. 줄은이 우주에 관한 모든 것을 포착합니다 - 예를 들어 모든 입자의 위치. 0과 1의 중첩으로 만든 상당히 긴 줄은 아마도 실제 우주를 설명합니다.

주어진 시간에 장난감 우주에는 0 개에서 발생하는 두 가지 상태가 있습니다. 하나는 0에서 발생하고 다른 하나는 1에서 발생합니다. 초기 1 자리 구성은 더 큰 8 자리 상태에서 "인코딩"되었습니다. 그 진화는 처음에는 두 가지 가능성이 있고 마지막에는 두 가지 가능성이 있다는 점에서 단일의 진화와 비슷합니다. 그러나 아이소 메트릭 진화는 확장 된 우주를 설명하기위한보다 유능한 프레임 워크를 제공합니다. 결정적으로, 그것은 여기와 안드로메다 사이에 여분의 광자를 추가 할 자유를 창출하지 않으면 서 시계를 되돌릴 때 문제를 일으킬 것입니다. 예를 들어, 우주가 01101001 상태에 있다고 상상해보십시오. 추가 광자와 같은 작은 지역 조정을 나타내는 첫 번째 0을 1로 뒤집 으면 더 큰 힐버트 공간에서 겉보기에 유효한 좌표 세트와 함께 종이 (11101001)에서 잘 보이는 상태를 얻을 수 있습니다. 그러나 특정 아이소 메트릭 규칙을 알면 그러한 상태에 부모 상태가 없음을 알 수 있습니다. 이 가상의 우주는 결코 일어나지 못했습니다.

Cotler는“과거에는 어떤 것도 해당하지 않는 미래의 구성이 있습니다. "과거에는 그들에게 진화 할 것이 없습니다."

Giddings는 작년에 블랙홀을 공부하면서 그가 만난 역설적 상태를 배제하는 것과 유사한 원칙을 제안했습니다. 그는 그것을“역사 문제”라고 부르며, 주어진 우주의 상태는 모순을 생성하지 않고 뒤로 진화 할 수있는 경우에만 물리적으로 가능하다고 주장합니다. "이것은 일종의 퍼즐이었다"고 그는 말했다. Strominger와 Cotler는“그 퍼즐을 가지고 그것을 사용하여 사물에 대한 새로운 사고 방식을 동기를 부여하려고 노력하고 있습니다.”

Giddings는이 접근 방식이 추가 개발이 필요하다고 생각합니다. 그녀의 공동 작업자 인 필립 홀 (Philipp Höhn)과 함께 시공간의 장난감 양자 이론을 공식화하려고 시도하면서 10 년 전 아이소 메 트리에 대한 비슷한 실현에 도달 한 Dittrich도 마찬가지입니다. 한 가지 희망은 그러한 작업이 결국 우리 우주를 지배 할 수있는 특정 아이소 메트릭 규칙으로 이어질 수 있다는 것입니다. Cotler는 진정한 우주 학적 아이소 측정이 하늘에서의 문제 분포에서 어떤 특정 패턴이 가능하고 그렇지 않은지를 계산 한 다음 관찰 데이터에 대해 이러한 예측을 테스트함으로써 검증 될 수 있습니다. "당신이 그것을 자세히 보면, 당신은 이것을 찾을 수는 있지만 이것을 찾을 수는 없다"고 그는 말했다. "정말 유용 할 수 있습니다."

isometry and beyond 에

이러한 실험적 증거는 미래에 발생할 수 있지만, 단기적으로는 동위 원소에 대한 증거가 이론적 연구와 사고 실험에서 시공간의 가단성을 양자 이론의 진폭과 결합하는 데 도움이된다는 실험에서 나올 가능성이 높습니다.

단일성이 삐걱 거리는 것처럼 보이는 한 가지 생각의 실험에는 블랙홀, 시공간을 막 다른 골목으로 돌리는 강렬한 농도의 물질이 포함됩니다. 스티븐 호킹 (Stephen Hawking)은 1974 년에 블랙홀이 시간이 지남에 따라 증발하면서 블랙홀 정보 역설로 알려진 겉보기에 뻔뻔스러운 단일성 위반의 양자 상태를 지우는 것으로 계산되었습니다. 블랙홀에 Cotler와 Strominger 가설을 세운 것처럼, 소음으로 성숙한 Hilbert 공간이 있다면, 물리학 자들은 생각과 다소 다른 퍼즐에 직면 할 수 있습니다. Strominger는“이를 고려하지 않는 솔루션이있을 수 있다고 생각하지 않습니다.

또 다른상은 우주가 어떻게 자라는 지뿐만 아니라 모든 것이 처음부터 온 곳을 묘사 한 상세한 양자 이론입니다. Arkani-Hamed는“우리는 우주가 없으며 갑자기 우주가 있습니다. “도대체 단일 진화의 일종인가?”

그러나 그의 입장에서는 Arkani-Hamed가 단일성을 위해 등각 측정을 교환하는 것만으로는 충분합니다. 그는 단일성뿐만 아니라 양자 이론과 일반 상대성에서 많은 근본적인 가정에서 벗어나려고 노력하는 연구 프로그램의 리더 중 하나입니다.

그는 다음에 오는 이론이 무엇이든, 그는 양자 역학이 Isaac Newton의 운동 법칙에서 깨끗하게 휴식을 취한 것처럼 완전히 새로운 형태를 취할 것이라고 의심합니다. 새로운 형태의 모습에 대한 예를 들어, 그는 당시 그의 학생 인 Jaroslav Trnka와 함께 만든 2014 년 발견에서 비롯된 연구 프로그램을 지적합니다. 그들은 특정 입자가 충돌 할 때, 각 가능한 결과의 진폭은 증폭기라고 불리는 기하학적 물체의 부피와 같음을 보여 주었다. 객체의 볼륨을 계산하는 것은 진폭을 계산하기 위해 표준 방법을 사용하는 것보다 훨씬 쉽습니다.

흥미롭게도, Amplituhedron은 단일성을 준수하는 답변을 제공하지만 원리는 모양 자체를 구성하는 데 사용되지 않습니다. 공간과 시간에 입자가 어떻게 움직이는 지에 대한 가정도 아닙니다. 입자 물리학의 순수한 기하학적 제형의 성공은 현실에 대한 새로운 관점의 가능성을 높여 현재 충돌하는 소중한 원리로부터 자유 로워집니다. 연구원들은 서로 다른 입자와 양자 이론과 관련된 관련 기하학적 형태를 탐색하는 접근 방식을 점차 일반화해 왔습니다.

Cotler는“[[그것은] 단원을 조직하는 다른 방법 일 수 있습니다. 아마도 그것을 초월 할 씨앗이있을 것입니다.”