공간, 시간 및 중력은 어디에서 왔습니까?

Sean Carroll (02:54) :스티브를 갖게 해주셔서 대단히 감사합니다.

strogatz (02:56) :시공간 마스터와 이야기하는 것은 매우 흥미 롭습니다. 정말 마음을 사로 잡는 것, 나는 당신의 책을 매우 즐겼습니다. 오늘 물리학의 국경 에서이 가시적이고 매혹적인 문제를 이해하도록 도와 줄 수 있기를 바랍니다.

왜 너희들, 물리학 자, 다시 공간과 시간에 대해 너무 걱정하고 있습니까? 아인슈타인이 오래 전에 우리를 위해 그것을 돌 보았다고 생각했습니다. 실제로 누락 된 것은 무엇입니까?

캐롤 (03:21) :네, 우리는 상대성, 20 세기 초의 상대성의 탄생을 물리학의 거대한 혁명으로 생각합니다. 그러나 몇 년 후에 일어난 양자 혁명에 비해 아무것도 아니었다. 아인슈타인은 특별한 상대성 이론의 시작을 도왔습니다. 이것은 빛의 속도보다 더 빨리 움직일 수 없다고 말하는 이론이며, 모든 것은 속도와 위치 등의 측면에서 다른 모든 것에 비해 측정됩니다. 그러나 여전히 특수 상대성 이론에는 중력이 없었습니다. 1905 년 이후 10 년 후, 많은 두개골 땀과 무거운 리프팅 후 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 제시했으며, 그곳에서 그는 특수 상대성에 중력을 두려고 노력했으며, 그는 시공간을 곡선으로 만들고 역동적 인 역동적 인 새로운 접근법이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 에너지와 질량에 반응하는 것은 시공간 자체의 직물이며, 그것이 우리가 중력으로 인식하는 것입니다.

(04:14) 이삭 뉴턴 (Isaac Newton)에서 온 기본 아이디어를 대체하는 일종의 혁명적 인, 특수 상대성 이론과 일반적인 상대성은 여전히 ​​근본적으로 고전적인 이론이었다. 우리는 때때로“고전적인”이라는 단어에 대해 사전에 전달하지만, 물리학 자들이 의미하는 바는, 입자 나 필드 등에 관계없이 물건을 가지고있는 Isaac Newton이 설정 한 기본 프레임 워크입니다. 그리고 그 물건은 그것이 무엇인지, 어디에, 그리고 어떻게 움직이는 지에 따라 특징 지어집니다. 그렇다면 입자의 경우 그 위치와 속도가 될 것입니다. 그리고 그로부터, 당신은 모든 것을 예측할 수 있으며, 모든 것을 관찰 할 수 있으며 정확하고 결정적입니다. 이것이 우리가 Clockwork Universe라고 부르는 것을 제공합니다. 당신은 모든 것을 예측할 수 있습니다. 전 세계에 대한 완벽한 정보를 알고 있다면, 우리가“Laplace 's Demon”이라고 부르는 것이 될 것이며, 미래와 과거를 정확하게 예측할 수있을 것입니다.

(05:08) 그러나 일반적인 상대성 이론조차도 시공간이 구부러져 있다고 말하면 여전히 그 프레임 워크에 속합니다. 여전히 고전 이론입니다. 그리고 우리 모두는 양자 역학이 1927 년경에 등장하면 말하면서 말씀 드리겠습니다. 1900 년부터 시작된 후 1927 년에 유명한 컨퍼런스 인 5 번째 Solvay Conference에서 아인슈타인과 보어가 모든 것이 무엇을 의미하는지에 대해 논쟁 한

(05:32) 그러나 그 이후로, 우리는 양자 역학이 자연의 작동 방식의보다 근본적인 버전이라는 것을 인정했습니다. 알고 있습니다. 당신은 모든 올바른 이유로 이것을 말했지만, 양자 역학이 작은 규모에서 일어나는 것은 아닙니다. 양자 역학은 세상이 어떻게 작동하는지에 대한 이론입니다. 작은 규모에서 일어나는 일은 고전적인 역학이 실패한다는 것입니다. 따라서 양자 역학이 필요합니다. 고전적인 역학은 한계, 근사치, 양자 역학의 작은 아기 버전으로 밝혀졌지만 기본이 아닙니다.

그리고 우리가 그것을 발견 한 이후로, 우리는 자연에 대해 알고있는 모든 것을 가져 와서이 양자 기계적 프레임 워크에 맞춰야합니다. 그리고 우리는 중력과 구부러진 시공간을 제외하고 말 그대로 자연에 대해 알고있는 모든 것을 위해 그렇게 할 수있었습니다. 우리는 아직 양자 관점에서 중력에 대해 완전히 100% 신뢰할 수있는 사고 방식을 가지고 있지 않습니다.

strogatz (06:24) :그 수정에 감사드립니다. 당신이 맞아요, 나는 양자 역학이 가장 작은 규모로만 적용된다고 말하면서 조금 느슨해졌습니다. 수학적 근거에서 양자 역학이 어떻게 고전적인 역학이되는지 알 수 있습니다. 그것은 그것과 일치합니다. 실제로는 스케일이 더 친숙 해지면 고전적인 역학을 의미합니다.

캐롤 (06:45) :예, 그렇습니다. 그건 사실 일뿐 만 아니라 매우 중요합니다. 저는 양자 역학을 이해하지 못하기 때문에 대부분의 사람들보다 더 많은 것을 강조하고 싶습니다. 우리는 고전적인 역학에 대한 훨씬 직관적 인 이해를 가지고 있습니다. 그리고 우리는 세상을 고전적인 용어로 생각하는 경향이 있습니다. 고전적으로 사물에는 위치가 있으며 위치와 속도가 있습니다. 기계적으로, 그것은 사실이 아닙니다. 그리고 그 주위에 뇌를 감싸는 것은 정말 어렵습니다. 그래서 우리는 고전적인 역학이 대규모로 작용하고 양자 역학이 작은 규모로 작동하는 것처럼 말하는 방식으로 말하는 경향이 있습니다. 왜냐하면 양자 역학이 모든 곳에서 어디에나있는 사실에 직면하고 싶지 않기 때문에 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 법을 배워야합니다.

strogatz (07:28) :그러나 당신은 중력이 이런 종류의 특이하지 않았다고 말합니다. 매우 어렵거나 적어도 모든 종류의 양자 기계적 프레임 워크에 완전히 만족스러운 방식으로 통합되지 않았습니다. 난이도의 본질이 무엇인지 요약 할 수있는 방법이 있습니까? 양자 이론과 중력을 합치는 이론을 생각해내는 것이 왜 그렇게 어려운가?

캐롤 (07:47) :예, 두 가지 문제가 있습니다. 기술적 인 문제와 개념적 문제라고 부르는 것. 우리 인간은 고전적으로 시작합니다. 학부생으로서 물리 학생이고 양자 역학을 배우는 경우 무엇을 의미합니까? 그것은 당신이 고전적인 모델에 고조파 오실레이터, 수소 원자 등과 같은 것에 대해 가르쳤다는 것을 의미합니다. 그런 다음 그 고전 이론을 정량화하기위한 규칙이 주어졌습니다. 그래서 어떤 의미에서는 - 청중의 수학자들에게 감사 할 것입니다. 고전 이론의 공간에서 양자 이론에 이르기까지지도. 양자화 절차.

(08:26) :이것은 모두 완전한 가짜입니다. 내 말은, 그것은 때때로 작동하는 kludge이지만, 고전 이론에서 양자 이론에 이르기 까지이 맵은 잘 정의되지 않았습니다. 당신은 두 가지 다른 양자 이론에 매핑하는 것과 동일한 고전 이론을 가질 수 있습니다. 동일한 양자 이론에 두 가지 다른 고전 이론이 매핑 될 수 있습니다. 따라서 직접적인 서신은 없으며 결국 왜 있어야합니까?

(08:46) :그러나 다시 말하지만, 그것은 전자기, 핵무기 및 기타 모든 것에 대해 일했습니다. 양자화 절차를 중력에 간단하게 적용 할 때 - 우리는 고전 이론, 일반 상대성 이론을 가지고 있습니다. 그냥 날아갑니다. 그것은 단지 우리에게 무한한 미친 대답을 제공합니다.

(09:04) 이것은 고전 이론을 정량화하려는 역사에서 전에 일어났다. Richard Feynman과 Julian Schwinger와 Sin-Itiro Tomonaga는 양자 전기 역학의 무한을 제거하는 방법을 보여준 노벨상을 수상했습니다. 그러나 당신이 중력에 빠지는 무한대는 다른 성격을 지니고 있으며, 우리가 말하는 것처럼“정규화 할 수 없다”고 말할 수 없으며,“정규화 할 수 없습니다”. 따라서, 매우 근본적인 수학 수준에서, 당신은 당신이 마구간을 따라 모든 것에 의존하고 있고 무엇을 해야할지 모른다는 절차를 알고 있습니다.

(09:35) :그러나 더 깊은 개념적 문제가 있습니다. 무엇을 해야할지 모르고 무엇을하고 있는지 모릅니다. 다른 모든 것들과 함께 중력 이외의 다른 모든 이론이 있기 때문에 무슨 일이 일어나고 있는지 분명합니다. 시공간 내부에 물건이 있습니다. 물건에는 위치가 있습니다. 공간에 요점이 있으며 시간이 지남에 따라 움직입니다. 필드가 있더라도 공간의 모든 지점에서 값이 있습니다.

그러나 중력에서는 시공간의 다양한 기하학적 기하를 결합하고 있습니다. 그리고 그것이 의미하는 바는, 당신은 어떤 시간인지 확실하지 않으며, 우주의 지오메트리를 모른다면 우주의 지오메트리 조합에서 우주의 지점을 고유하게 식별하는 것은 불가능하기 때문에 우주의 위치가 어디에 있는지 확실하지 않습니다. 따라서 우리는 기본 수준에서 Quantum Gravity와 관련하여 우리가 말하는 것을 아는 데 어려움을 겪습니다.

strogatz (10:33) :전통적인 사고, 물리학과 마찬가지로 경기장 자체가 말하는 것처럼, 물건과 들판과 입자, 그리고 일시간의 시공간 내부에서 순간마다 이동하는 것과 같이 경기장 자체가 매우 가시적으로 들립니다. 하지만 이제는 경기장 자체입니다. 아인슈타인은 이미 경기장을 공간과 시간을 역동적으로 만들어 역학적으로 역동적 인 일을함으로써 우리를 그 방향으로 조금 데려갔습니다. 하지만 지금은 훨씬 나빠지는 것 같습니다.

캐롤 (11:02) :글쎄, 그것은, 나는 고전적으로 입자에 대해, 당신은 그것이 위치, 위치 및 얼마나 빨리 움직이는 지에 대한 명확한 개념을 가지고 있다는 생각을 기억하기 때문입니다. 그리고 당신은 그런 것들을 측정 할 수 있습니다. 양자 역학의 전체적인 으스스는 양자 역학의 의미를 정의하기 위해서는“관찰”및“측정”과 같은 단어를 사용해야한다는 것입니다. 그것은 고전적인 역학에서는 결코 사실이 아니었고, 당신은 당신이 원하는 것을 측정하고, 완벽하게 사소하고 간단했습니다. 양자 역학은 그것과 약간 다릅니다.

(11:03) 그리고 여기에 숨어있는 것들 중 하나,이 전체 토론에서, 당신은 알다시피, 양자 중력, 매우 중요하다고 말할 수있는 많은 이론적 물리학자가 많이 있습니다. 우리는 이것을 이해해야합니다. 그러나 우리는 양자 역학을 이해하지 못합니다. 비록 거의 100 년 동안 있었음에도 불구하고. 우리는 측정 및 관찰과 같은 이상한 단어 때문에 양자 역학의 말에 동의하지 않습니다. 그래서 나는 양자 중력이 어려운 이유를 설명하려고 노력했지만 양자 역학이 무엇인지 설명하지 않고는 할 수 없기 때문에 편견을 드러 낼 것입니다. 또는 적어도, 양자 역학이라고 생각하는 것을 언급하면. ​​

strogatz (11:32) :그래서 나는 내가 당신에게 물어볼 다음 일에 아주 잘 어울린다고 생각합니다. 우리는이 에피소드가 끝날 무렵 사람들에게 시공간이 출현한다는 것이 무엇을 의미하는지에 대한 느낌을주기를 바라고 있습니다. 그러나 그들이 당신이나 그들이 공간과 시간을 공부하는 사람에게 그들이 등장하는 것은 무엇을 의미할까요?

캐롤 (12:05) :그래서 나는 입자의 위치 나 속도와 같은 것이 있다고 생각하지 않습니다. 나는 당신이 관찰하는 것들이라고 생각합니다. 당신이 그것을 측정 할 때, 그들은 관찰 결과 일 가능성이 있지만, 그것들은 그렇지 않습니다. 좋아요, 그들은 진정으로 존재하는 것이 아닙니다. 그리고 당신이 그것을 중력으로 확장한다면, 우리가 시공간의 기하학 또는 우주의 위치와 같은 것들이 존재하지 않는다고 말하고 있습니다. 그들은 당신이 올바른 상황에서 고전적인 수준에서 얻는 근사치입니다. 그리고 그것은 사람들이 매우 빨리 길을 잃는 매우 깊은 개념적 변화입니다.

(12:58) 까다로운 단어입니다. 우리는 그것에 대해 생각해야합니다. 출현은 일종의 도덕과 비슷합니다. 때때로 우리는 그것을 볼 때 동의합니다. 그러나 다른 경우, 우리는 단어의 의미에 동의하지 않습니다. 따라서 물리학 자, 수학자, 그리고 다른 자연 과학자들은 철학자가 약한 출현이라고 부르는 것에 의존하는 경향이 있습니다. 그리고 약한 출현은 기본적으로 편의성입니다. 아이디어는 포괄적 인 이론이 있고, 깊은 수준에서 작용하는 이론이 있다는 것입니다. 표준 예제는 상자에 가스입니다. 기체 물질로 가득 찬 상자가 있으며 원자와 분자로 만들어 졌습니까? 그리고 그것이 미세한 이론입니다. 그리고 당신은 알았어요. 원칙적으로, 나는 라플라스의 악마가 될 수 있고, 내가 원하는 것을 예측할 수 있고, 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 알고 있습니다.

(13:47) 그러나 우리 인간은 우리의 안구, 온도계로 상자의 가스를 볼 때 각 개별 원자 나 분자, 그리고 그 위치와 속도를 볼 수 없으며, 우리는 시스템의 거친 입자 특징을 볼 수 없습니다. 그래서 우리는 온도, 밀도, 속도, 압력, 그런 것들을 봅니다. 그리고 행복한 소식은 명백하거나 필요하지 않은 것이 아니라, 그것이 일어날 때와 그렇지 않을 때 신비 롭습니다. 그러나 행복한 소식은 우리가 거친 거친 거시적 관찰 가능성을 기반으로 가스가 무엇을 할 것인지에 대한 예측 이론을 발명 할 수 있다는 것입니다. 유체 역학이 있습니까? 우리는 모든 원자가 무엇을하는지 모르면 물건을 모델링 할 수 있습니다. 그것은 대략적인 속성이있을 때, 대략적이고 거친 입자가있을 때 거시적 수준에서 관찰 할 수 있지만 예측할 수 있습니다. 그리고 약한 출현은 단지 그 과정에서 일어난 새로운 일이 없다는 것을 의미합니다. 당신은 오, 당신이 더 큰 규모로 가서 확대 할 때, 기본적으로 새로운 본질이나 역학이 들어오고 있다고 말하지 않았습니다. 그것은 단지 현미경의 집단적 행동 일뿐입니다. 그것은 약한 출현입니다.

(15:01) 으스스한 새로운 것들이 들어오는 곳에서도 강한 출현이 있습니다. 그리고 사람들은 그들이 의식이나 그와 비슷한 것에 대해 생각할 때 그 필요성에 대해 이야기합니다. 나는 기본 수준에서 강한 출현을 믿는 신자가 아닙니다. 그래서 나에게 시공간의 출현은 시공간 자체가 유체 역학과 같다는 것입니다. 그것은 가스 온도와 압력 및 그런 것들과 같습니다. 그것은 우리가 손가락을 씌우려고 노력하는 더 근본적인 것에 대해 거친 입자, 높은 수준의 사고 방식 일뿐입니다.

strogatz (15:34) :와우, 상자에 가스를 묘사하면서 상자에 앉아 있습니다. 나는 상자 모양의 스튜디오에 있습니다. 여기에는 가스가 있습니다. 이것은 내가 호흡하는 공기입니다.

어쨌든, 예, 나에게 매우 생생합니다. 당신이 말하는 예입니다. 그리고 놀랍습니다. 그렇지 않습니까? 열역학이 통계 물리학에 대해 잊어 버렸던 것처럼, 그 집단적이거나 출현하는 법률이 작용하는 법이 있다는 것을 알았습니다. 사실, 먼저 발견되었고 나중에 만 현미경 그림이 나왔습니다. 그래서 나는 당신이 공간과 시간과 중력으로 지금 그런 일이 일어나고 있다고 말하는 것 같아요. 우리는 아인슈타인의 거시적 이론을 가지고 있습니다.

캐롤 (16:14) :양자 역학과 중력을 연구하는 데 연구 시간을 보내지 않을 때는 출현을 공부하고 있습니다. 나는 생물학과 삶의 기원을 언급하지 않고 철학에서 물리학, 정치 및 경제에 이르기까지 일련의 질문에서 여기서해야 할 일이 많이 있다고 생각합니다. 그래서 나는 이것이 우리가 해결하는 것에 대해 지저분하고 조잡한 깊은 질문이라고 생각하지만, 그런 이유로 시공간의 출현은 어렵다고 생각하지 않습니다.

(16:45) 그래서 당신이 이야기 할 때, 미국은 시민들로부터 출현합니까? 아니면 Apple Computer Company가 무언가에서 출현합니까? 그것들은 어려운 질문입니다. 그것들은“경계를 어디에서 그리는가?”등과 같은 까다 롭습니다. 그러나 시공간의 경우 실제로는 매우 간단하다고 생각합니다. 팟 캐스트의 중요한 테이크 홈 포인트는 시공간부터 시작하지 않고 양자화하지 않는다는 것입니다. 상자에 가스가있을 때와 마찬가지로 상자에 가스에 대한 더 좋고 더 나은 이론을 얻으려고하지만 근본적으로 다른 것으로 만들어 졌다는 것을 알고 있습니다. 그리고 이것이 제가 제안하는 것이라고 생각하고 다른 사람들이 시공간을 제안하고 있으며, 전자기 및 입자, Higgs Boson 및 표준 모델에 사용했던 모든 것이 일부 물건으로 시작하여 양자화되었으며, 이는 Gravity와 Space 시간에 일어날 방법이 아닙니다. 당신은 깊은 마이크로 수준에서 근본적으로 다른 것을 가질 것이고, 우리가 시공간으로 알고있는 것에 나올 것입니다.

strogatz (17:46) :이 시점에서 얽힘에 대해 이야기하기 시작하지 않아야합니까?

캐롤 (17:49) :얽힘에 대해 이야기하기 시작하기에는 너무 이른 일이 아닙니다.

strogatz (17:51) :그것에 대해 이야기합시다. 무엇입니까? 나는 그것을 많이 듣는다. 나는 양자 사람들이 그것에 대해 이야기하는 것을 들었습니다. 요즘에는 특히 양자 컴퓨팅을 통해 우리는 얽힘에 대해 계속 듣고 있습니다. 왜 그게 무슨 뜻인지, 아이디어가 어디에서 왔는지 말해주지 않겠습니까?

캐롤 (18:04) :예, 히그 스 보손에 대해 생각해 봅시다. 우리는 몇 년 전에 그것을 발견했고, 그것은 진짜 입자이며, 나는 그것에 관한 책을 썼습니다. 우주 끝에있는 입자 . Higgs Boson - 감지하기 어려운 이유 중 하나는 그것이 붕괴되기 때문입니다. 매우 짧은 수명이 있습니다. 따라서 누군가가 iggss 보손을 바로 앞에두면 상상할 수 있습니다. 일반적으로 약 1 개의 zeptosecond에서 다른 입자로 부패 할 것입니다. 10 초입니다. 매우 빨리.

(18:31) 할 수있는 한 가지는 전자와 양전자, 항공산으로 부패 할 수 있습니다. 따라서 전자와 양전자의 두 입자로 부패 할 수 있습니다. 이제 양자 역학을 기억하십시오. 따라서 Higgs Boson이 부패하는 데 걸리는 시간을 대략 예측할 수 있지만 전자와 양전자가 튀어 나와서 움직일 방향을 예측할 수는 없습니다.

(18:54) 나는 Higgs Boson 자체가 단지 요점이기 때문에 완벽하게 의미가 있습니다. 그것은 공간에서 방향성이 없습니다. 따라서 전자, 구름 챔버 또는 무엇이든 원하는 방향으로 움직일 확률이 있습니다. 마찬가지로, 양전자의 경우, 원하는 방향으로 움직이는 것을 볼 확률이 약간 있습니다. 그러나 당신은 운동량이 보존되기를 원합니다. 따라서 Higgs Boson이 고정되어 있으며, 전자와 양전자가 같은 방향으로 빠르게 움직이기를 원하지 않습니다. 그것은 운동량의 변화 일 것입니다. 맞습니까?

(19:26) 그래서, 전자가 어떤 방향으로 들어갈 지 알지 못하지만, 양전자가 어떤 방향으로 들어갈 지 모르겠지만, 죄송합니다. 죄송합니다. 저는 이미, 저는 재미있는 사람이므로 마치 마치 마치 마치 마치 말합니다. 어떤 방향으로 이동할 수있는 방향을 알지 못하지만, 움직일 양전자를 측정 할 방향을 알지 못하지만 둘 다 측정하면 다시 연속 될 것임을 알고 있습니다. 그들은 동일하고 반대의 추진력을 가져야하기 때문에, 사람들은 취소하기 위해.

(19:54) 그 의미는, 당신이 모든 것을 믿는다면 바로 우리는 전자와 양전자의 결합 된 시스템에 대한 파동 기능이 하나만 있다고 생각하는 이유입니다. 독립적 인 질문이 아닙니다. 전자를 어떤 방향으로 측정 할 것인가? 양전자를 어떤 방향으로 측정 하시겠습니까? 동시에 물어봐야 할 진술입니다. 바로 거기에 얽혀 있습니다. 얽힘은 전자와 양전자에 대한 관측 결과가 무엇인지 별도로 독립적으로 예측할 수 없다는 사실입니다.

(20:26) 그리고 이것은 완전히 일반적이며 양자 역학의 모든 곳입니다. 드물고 특별한 것은 아닙니다. 많은 것들이 다른 많은 것들과 얽혀 있습니다. 일이 서로 얽히지 않을 때 독특하고 재미 있고 매우 유용한 시간입니다. Einstein, Podolsky 및 Rosen, EPR과 같은 오랜 시간이 걸렸습니다. 이미 방정식에 내재되어 있었지만 아무도 손전등을 비난하지 않았기 때문에 아인슈타인이 한 일입니다. 그리고 그것이 그를 괴롭히는 이유는 Higgs Boson이 붕괴되고 양전자와 전자가 반대 방향으로 움직일 때 오랫동안 기다릴 수 있기 때문입니다. 전자가 움직이는 방향을 측정하기 전에 몇 년을 기다릴 수 있다고 가정 해 봅시다.

(21:14) 따라서, 두 입자는 매우, 매우 멀리 떨어져 있습니다. 그리고 이제 하나의 위치를 ​​측정 할 때 다른 위치의 위치가 즉시 결정됩니다. 그리고 빛의 속도 나 그와 비슷한 속도의 제한이 없습니다. 따라서 분명한 이유로 아인슈타인은 사물의 한계로 빛의 속도를 매우 좋아했지만 그는 그것을 좋아하지 않았습니다. 그는 그것이 최종 답변이라고 생각하지 않았고, 항상 더 나은 것을 찾고있었습니다.

strogatz (21:39) :요즘은 괜찮다는 주장은 정보 나 무언가를 전송하는 데 사용할 수 없기 때문에 특별한 상대성 이론을 위반하지 않습니까? 그게 진술인가?

캐롤 (21:39) :예, 글쎄요, 알다시피, 말이 할 수있는 모든 진술이 있습니다. 그러나 우리가 절대적으로 생각하는 것은 당신이 방금 만든 것입니다. 이 두 입자가 연속적으로 움직이는 것을 상상하고 한 사람이 하나를 감지하고, 다른 하나는 다른 하나를 발견하고 다른 하나를 감지 할 사람이 있다면, 요점은 측정 결과가 무엇인지 알지 못한다는 것입니다.

따라서 전 세계적으로 관점에서 볼 때, 다른 입자가 발견 될 위치는 하나님이나 우주에 알려져 있지만 우주 내 어느 곳에나 앉아있는 특정 사람에게는 알려져 있지 않습니다. 신호를 가져 오는 데 가벼운 속도가 필요합니다. 신호를 가져 가면 이제 문제에 대한 새로운 사실, 양전자를 관찰 할 수있는 새로운 사실이 있다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 실제로 신호를 위해 이것을 사용할 수 없습니다. 다른 관찰자가 무언가를 측정했을 때 무슨 일이 있었는지 모릅니다. 그리고 당신은 실제로 합리적인 가정하에 우리가 알고있는 이론에서 알 수 있음을 증명할 수 있습니다.

(22:43) 마치 이것이 긴장 인 것처럼 보이며, 우주가 작용하는 방식은 빛의 속도보다 빠르게 이동하는 상관 관계를 포함하지만, 잘 정의 된 의미에서는 정보가 빛의 속도보다 빠르게 이동하지 않습니다. 우리는이 단어들을 정의하지 않았다는 것을 걱정해야합니다. 그래서, 그게 무슨 뜻입니까? 당신은이 물건에서 트랜스 포터 빔이나 그와 비슷한 것을 만들지 않을 것입니다.

(23:09) 그러나 - 그러나 - 그러나 다시 한 번 생각하는 다른 생각은 다시 한 번 생각하는 것들에 대한 나의 기발한 생각의 결과라고 생각합니다. 즉, 사람들은 실제로 지역을 좋아하지 않습니다. 처럼, 지역은 중심입니다. 지역성은 시공간의 한 지점에서 우주를 찌르면 그 시점에서 그 찌르기의 영향이 일어날 것이며, 파열 될 것이라는 생각입니다. 그러나 그들은 빛의 속도보다 더 빨리 다른 지점으로 파급 될 것입니다. 우주의 상태를 매우, 아주 멀리, 우주의 상태를 바꿀 수있는 우주를 찌르기 위해 할 수있는 일은 없습니다. 그리고 당신은이 얽힘이 어떻게 그 경계에 어떤 종류의 경계에 있는지 알 수 있습니다.

(23:51) 그러면 지역 성이 그와 비슷하다고 믿는다면,이 질문을하고 있습니다. 왜 우주가 거의 위반하지만 그다지 그렇지 않은 것처럼 보입니까? 그것이 우리가 가진 퍼즐입니다. 그리고 이것은 - 양자 역학의 기초에 많은 잉크가 쏟아졌습니다.

(24:06) 나는 파도가 근본적인 것으로 생각하기 때문에 다른 방법으로 전적으로 생각합니다. 나는 그것이 실제로 존재한다고 생각합니다. 그리고이 양전자와 전자의 파동 기능과 같은 파동 기능은 완전히 비 국소적이다. 그것은 모두 존재합니다 - 그것은 A입니다. 그것은 처음부터 우주의 특징입니다. 그래서 나는 또한 미스터리를 설명 할 수 있지만, 나의 미스터리는 반대입니다. "왜 지역 성이 대략적으로 얽힘에 의해 위반되는 것처럼 보이는가?" "왜 지역이 있습니까?" 마찬가지로, 그것은 나에게 퍼즐입니다.

strogatz (24:41) :좋아, 그래서 얽힘과 불만이나 불가사의에 대해 이야기하면서,이 모든 것이 우리가 공간에 대해 이전에 말한 것과 어떤 관련이 있습니까? 연결이 있으므로 맞습니까?

캐롤 (24:52) :맞습니다. 열망은 우리 가이 추상 양자 파동 함수로 시작한다고 말하는 것입니다. 그래서, 추상적으로 내가 의미하는 바는, 그것은 아무것도 파도가 아니라는 것입니다. 우리가 고전적으로 시작하는 인간이기 때문에 일반적인 대화의 방법은 전자, 고조파 오실레이터, 입자 물리학의 표준 모델 또는 그 밖의의 파동을 가지고 있다고 말하는 것입니다. 아니요, 속임수입니다. 우리는 그것을 허용하지 않습니다. 우리는 단지 추상 양자 파동 기능을 가지고 있으며, 우리는 물결 기능을 알고있는 현실을 추출 할 수 있습니까? 시공간, 양자 필드, 그 모든 것들. 따라서 작업 할 것이 많지 않습니다.

(25:30) 그러나 우리가 할 수있는 것은 실제 세계에서 이해할 때 물리학의 단서를 사용할 수 있다는 것입니다. 따라서 현실 세계에서 우리는 매우 좋은 근사치를 가지고 있습니다. 세상은 우리가 양자 필드 이론이라고 부르는 것에 의해 운영됩니다. 좋아, 그래서, 세상의 물건, 입자 및 당신이 알다시피, 힘 등은 모두 공간과 시간에 걸쳐 퍼져 있고 양자 기계적 특성을 가진 들판에서 나옵니다.

(25:55) 따라서 전자 용 필드가 있고, 광자 용 필드, 글루온을위한 필드, Higgs Boson을위한 필드 등이 있습니다. 중력을위한 필드. 이 모든 것들은 양자 기계 필드입니다. 이제 다시, 이것은 내가 제안한 것이 아닙니다. 이것은 우리의 현재 최선의 근사치 일뿐입니다. 이것이 데이터에 맞는 것 같습니다. 그리고 실제로 어떻게 생겼는지에 대해 질문 할 수 있습니다.

따라서 필드 이론의 중요한 것은 빈 공간에도 여전히 필드가 있다는 것입니다. 공간은 완전히 비어 있지 않으며, 빈 그릇과 같은 것이 아닙니다. 우리가 말했듯이 그들의 지상 상태에있는 분야가 있습니다. 그들은 가장 낮은 에너지 상태에 있습니다. 그래서 그들은 - 고전적으로, 당신은 들판에 가치가 0이라고 말합니다. 당신이 말할 수 있듯이, 자기장이라고 불리는 것이 있지만, 공간 의이 특정 지점에서는 0입니다. 여전히 - 필드가 있지만 그 값은 0입니다. Quantum은 기계적으로, 그것보다 더 복잡하지만, 여전히 가장 낮은 에너지 상태에 있다고 말할 수 있습니다. 그것은 당신이 말할 수있는 것입니다.

(26:49) 그리고 당신이 할 수있는 일은 그들 사이의 어느 정도 거리에서 두 개의 다른 시공간 지점을 취하는 것입니다. 그리고 빈 공간에도 여전히 들판이 있기 때문에 여전히 거기에있는 것들이 있기 때문에이 두 지점 사이에 얽혀 있습니까? 거기에 필드 때문에. 이 두 지점의 분야의 양자 상태는 우주에서 얽혀 있습니까? 그리고 대답은 그렇습니다. 항상 얽히게 될 것입니다.

그리고 실제로, 그 이상, 포인트가 근처에 있다면, 들판은 서로 얽히게됩니다. 그리고 들판이 멀리 떨어져 있다면, 얽힘은 매우 낮을 것입니다. 0은 아니지만 매우 낮습니다. 다시 말해, 기존 양자 필드 이론의 가장 낮은 에너지 상태에서 두 지점과 얽힘의 양 사이의 거리 사이의 관계가 있습니다.

(27:38) 그리고 우리가 말하는 것은, 우리는 추상 양자 파동 기능으로 시작합니다. 우리는 그 문제에 대해 거리 나 필드와 같은 단어가 없습니다. 그러나 우리는“얽힘”이라는 단어가 있습니다. 파동 기능을이 비트로 나누면이 비트를 나누면 두 가지 비트가 얽혀 있습니까? There’s mathematical ways to measure them using the mutual information, etc. So you can quantify the amount of entanglement between different pieces of the wavefunction. And then, rather than saying “the more distance, the less entanglement,” you turn that on its head. You say, “Look, I know what the entanglement is.” Let me assume, let me put out there as an ansatz [a mathematical assumption], that when the entanglement is strong, the distance is short. And I’m going to define something called the distance. And it’s a small number when the entanglement is large, it’s a big number when the entanglement is small.

(28:26) So what you’re doing is, in this big space in which the wavefunction lives, you’re dividing it up into little bits, you’re relating them — Steve, you will be happy about this. You’re drawing a network, a graph. You have different parts of Hilbert space. Those are nodes in the graph, and then they have edges, and the edges are the amount of entanglement. And there’s a function of those amount of entanglement which says, invert it, roughly speaking, and get a distance. So now you have a graph of nodes with distances between them. And you can ask, do those nodes fit together to approximate a smooth manifold? And if you pick the right kind of laws of physics, they will.

(29:06) And then you can ask, if I perturb it a little bit, so I poke it, so it’s not in its lowest-energy state, it has a little bit of energy in it. Well, that’s going to be dynamical. That’s going to stretch space-time, that’s going to change the amount of entanglement. We can interpret that as a change in the geometry of space. Is there an equation that that obeys?

And the answer is, you know, under many assumptions that are not entirely solid yet, but seem completely plausible, the geometry of that emergent space obeys Einstein’s equation of general relativity. Not completely as surprising and dramatic as it sounds, because there’s not a lot of equations it could have obeyed. But the point is that if we follow our nose, if we say we start not with space, but with entanglement, how should it behave? How should it interact? We get to a place where it’s not at all surprising that it has dynamics, that it changes, that it responds to what you and I would notice as energy, and the kind of response is the kind that Einstein had there in general relativity.

(30:03) So, you can imagine an alternative theory of physics — history of physics. Where Einstein did not invent general relativity. Where we invented quantum mechanics first, and we understood it. And we really thought about it very deeply, and at some point, someone said, you know, if you really take this seriously, the emergent geometry of space should be dynamical and curved, I’m going to call it general relativity. That’s not what happened. But that’s what we’re hoping to work out when we’re all done.

strogatz (30:28):There’s this big story about this awful acronym, AdS/CFT correspondence, that some people may have heard of. Some of our listeners may know that there’s some — some work that has a similar spirit to what you’re describing, where you derive gravity — not you, Juan Maldacena, I guess, and Lenny Susskind and other people — are trying to derive gravity from quantum field theories that don’t have gravity in them. Can you tell us about some of that and explain it to us?

Carroll (30:35):Right. It is very much close in spirit. And the idea is that you have this principle, called the holographic principle. It doesn’t really deserve the name of a principle because it’s a little bit vague. But the idea is that for a black hole, all of the information, all the quantum mechanical information inside a black hole, can in certain circumstances be thought of as spread out on the boundary of the black hole.

So if you think of the interior of the black hole as a three-dimensional region of space, and the boundary, the event horizon, as a two-dimensional boundary, somehow, you could think of all the information of the black hole as being located on the boundary. So that’s holography, because there’s only a two-dimensional boundary that is filling in the three-dimensional inside, much like shining a light on a two-dimensional hologram gives you a three-dimensional image.

(31:45) What Maldacena did was applied that not to black holes, but to a certain kind of cosmological space-time called anti-de Sitter space. So, in general relativity, in Einstein’s theory of gravity, if there’s nothing going on, if there’s no energy, no stuff, or anything like that, you can solve the equation, Einstein’s equation, and you find flat space-time, which we call Minkowski space-time, this is just the arena where special relativity lives.

(32:12) The next simplest thing you can do is add energy to it, but add only vacuum energy, energy of empty space itself. So there’s no particles or photons or anything like that. There’s just empty space, it has energy. We think that space does have energy now, we discovered this with the accelerating universe, in 1998. And the equations were solved back in 1917 by Willem de Sitter, a Dutch astrophysicist. So, if you have a positive amount of energy in empty space, you get a cosmological solution called de Sitter space. And that is basically where our real universe is evolving to, as we expand and the galaxies move further and further away.

(32:52) If you just flip the sign to make the vacuum energy have a negative amount, you’re allowed to do that. And it’s called anti-de Sitter space. It’s just a flip of the sign in the math. And the great news is that this anti-de Sitter space — again, it’s a pure — all that should drive home to you that this is not the real world. Not only is it empty, but the vacuum energy is negative rather than positive. It’s a completely thought-experiment kind of thing. But what Maldacena showed is that gravity, quantum gravity, string theory he was thinking of in particular, inside anti-de Sitter space can be related to a theory of quantum field theory without gravity, that you can think of as living on the boundary infinitely far away.

(33:36) So if there’s a boundary to anti-de Sitter space infinitely far away, it’s one dimension less. Because it’s kind of like, you know, the event horizon of a black hole, it’s wrapped around the anti-de Sitter space. It is itself flat space-time. There’s no gravity there, you can define quantum field theory on it, you have no conceptual issues with quantizing it. It’s good old, well-defined quantum field theory. And Maldacena argued that it is the same theory as quantum gravity in the interior, in what we call the bulk of anti-de Sitter space. There’s a relationship between these two theories that is a one-to-one correspondence. And it’s hard to prove that. But there’s an enormous amount of evidence that it’s true.

(34:14) And then, subsequent to that, people like Mark Van Raamsdonk and Brian Swingle and others pointed out that if you take the theory on the boundary, the theory that we understand, the quantum field theory without gravity, and all you do is you twiddle the amount of entanglement between different parts of the quantum field theory on the boundary, the geometry of the anti-de Sitter space inside responds. It changes in response to that. In some sense, the geometry of that emergent anti-de Sitter space, holographically emergent, is very sensitive to the amount of entanglement on the boundary. So this is the sense in which, in this case, geometry is emerging from entanglement.

(34:57) So, to compare that to what I’m doing, I am not in anti-de Sitter space. I’m here on Earth, both literally and conceptually. I am in the limit where space-time is almost flat, right, where gravity is weak. Like the solar system, even though the sun is very big, gravity is still weak, it’s nowhere near being a black hole. So there’s no holography, everything is pretty local, as we were talking about before, everything is, you know, bumping up against other things right next to each other, right here in space.

(35:24) The holographic limit, that’s kind of the opposite. Holography kicks in where gravity is strong, where you either have a black hole or a cosmological horizon or something like that. And that’s when the information seems like it’s in one dimension less. What you need in the full theory, which nobody has, is both at once.

(35:47) There’s a huge number of people working on AdS/CFT. CFT because the particular kind of field theory you have on the boundary is what is called a conformal field theory. So C-F-T, conformal field theory. So, there’s a huge number of people working on that. And it’s fun, and it’s well-defined, there’s a lot of math, there’s a lot of physics, full employment, whereas what I’m doing is much less well-defined, because we don’t have this well-defined boundary where everything doesn’t involve gravity, and therefore you can solve all your equations.

(36:16) But, you know, I think that you’re going to need both at the end of the day. I think that the AdS/CFT approach doesn’t really illuminate what goes on in the solar system very well. It illuminates what goes on cosmologically pretty well. So I think that they’re compatible ways of sort of coming at the problem from different approaches.

strogatz (36:32):You know, I’m glad you mentioned Van Raamsdonk and Swingle, because that’s another very seminal paper in this whole, I want to say “space” of emergent space-time. Thinking, you know, looking ahead, these ideas of emergent space-time, do you think they’ll have impact on our current models in physics?

Carroll (36:50):Well, I think there’s still, certainly, a lot to do just in terms of understanding the proposal, right? I mean, really going from these incomplete ideas about entanglement and emergent geometry to a full theory like, “Oh, this is why things have three dimensions of space. This is the kind of laws of physics that let this happen in the first place,” you know, and so on. And so there’s just, like, a lot of very basic groundwork remaining to be done. The ideal thing, the wonderful thing that would be amazing, is to make an experimental prediction from all this.

(37:25) And it’s not completely wacky to imagine that is possible. For the following reason:You know, it goes back to what we said about space and time not being quite on an equal footing. We’re using them in different ways. So the technical term for this is we’re violating Lorentz invariance. It’s this symmetry that was handed down by Lorentz, a famous Dutch physicist, a mentor of Einstein’s, that says it doesn’t matter how you look at space and time, everyone’s perspective is equal.

That’s not quite right, in our point of view. It might not be right. So, it’s possible that there is an experimental prediction for a tiny violation of Lorentz invariance. And this might show up in, you know, how photons propagate across the universe or something like that, or some very delicate, precise laboratory experiment we can do here on Earth. We don’t know. I don’t have that prediction yet for you. But I think that is something that is plausible within this framework.

strogatz (38:21):That’s a wild idea. Because a lot of people think of the Lorentz invariance, basically, this principle of relativity, taken very seriously, as a deep inviolable principle in physics, and you’re saying it may be itself an emergent-like approximation. It’s almost like a spurious symmetry that comes out from looking at the emergent theory rather than the fundamental theory.

Carroll (38:43):Yeah, that’s exactly right. And again, maybe, as we have both been saying. It’s a low-probability, high-impact question to ask. So I think — it’s worth spending some of your time on questions like that.

strogatz (38:55):I feel like you’ve been a very brave and generous person in sharing these speculations with us. I mean, you’ve been so honest about the tentative nature of science, which for all of us who actually do science and math, know that that’s how it really is. But I think it’s, it’s very healthy for our listeners to appreciate this, that we’re all sticking our necks out all the time and we kind of like it, and it’s what makes it such an adventure.

Carroll (39:20):Well, I do think that and, you know, I think that there’s a school of thought that says that scientists should not talk about their results until they’re completely established and refereed and everyone agrees they’re right. And not only do I think that that’s implausible, because even results that are refereed and published could be wrong, I think it’s very antithetical to the spirit of how science is, you know, and I want to emphasize that science is not just a set of results that are handed down from on high, it’s a process. We could be wrong. We’re making suppositions and hypotheses and guesses, and we’re going to figure out whether or not they work. And that’s not a bug, it’s a feature. That’s, that’s how science works. So I’m very willing to talk about tentative things as long as I try to emphasize that they are tentative things.

strogatz (40:09):Yep. Thank you and bravo. And that we are trying to be rational. We’re looking for evidence, we’re willing to admit when we’re wrong, when we are wrong.

Carroll (40:17):Yeah, actually, I think that it would increase trust in science if we were more honest about the fact that we can be wrong all the time. Because we are going to be wrong some of the time, and if we pretend that we’re never wrong, then it’s going to hurt our credibility when we’re wrong.

strogatz (40:32):Okay, amen, Sean. Thank you so much for joining us in a really delightful conversation today.

Carroll (40:37):It’s my pleasure. Thanks very much for having me on.

Announcer (40:43):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or a follow where you listen. It helps people find The Joy of Why podcast.

strogatz (41:05):The Joy of Why is a podcast from Quanta Magazine , an editorially independent publication supported by the Simons Foundation. Funding decisions by the Simons Foundation have no influence on the selection of topics, guests, or other editorial decisions in this podcast or in Quanta Magazine . The Joy of Why is produced by Susan Valot and Polly Stryker. Our editors are John Rennie and Thomas Lin, with support by Matt Carlstrom, Annie Melchor, and Leila Sloman. Our theme music was composed by Richie Johnson. Our logo is by Jackie King, and artwork for the episodes is by Michael Driver and Samuel Velasco. I’m your host, Steve Strogatz. If you have any questions or comments for us, please email us at [email protected] Thanks for listening.