양자 중력의 이론을 직접 테스트 할 수있는 전망은 가볍게 표현하기 위해 열악합니다. 양자 중력 효과가 나타나는 매우 타운 플랑크 스케일을 조사하려면 은하계만큼 큰 입자 가속기가 필요합니다. 마찬가지로, 블랙홀은 양자 중력에 의해 지배되는 특이점을 가지고 있지만 특히 블랙홀은 특히 가깝지 않습니다. 그랬더라도 내부에 무엇이 있는지 알기를 바랄 수 없었습니다. Quantum Gravity는 또한 빅뱅의 첫 순간에도 작동했지만, 그 시대의 직접 신호는 오랫동안 사라져서 수십만 년 후 처음으로 나타난 미묘한 단서를 해독하게되었습니다.
.그러나 Palo Alto 외곽의 작은 실험실에서 Stanford University 교수 인 Monika Schleier-Smith와 그녀의 팀은 블랙홀이나 은하계 입자 가속기없이 양자 중력을 테스트하는 다른 방법을 시도하고 있습니다. 물리학 자들은 10 년 넘게 중력과 심지어 시공간 자체가 얽힘이라는 이상한 양자 연결에서 나올 수 있다고 제안 해 왔습니다. Schleier-Smith와 그녀의 공동 작업자는 프로세스를 리버스 엔지니어링하고 있습니다. 탁체 실험에서 고도로 얽힌 양자 시스템을 공학함으로써 Schleier-Smith는 Albert Einstein의 일반 상대성 이론에 의해 예측 된 뒤틀린 시공간처럼 보이고 행동하는 것을 생산하기를 희망합니다.
.6 월에 게시 된 논문에서, 그녀의 팀은이 경로를 따라 첫 실험 단계를 발표했습니다. 조명에 의해 갇힌 원자 시스템은 순서대로 연결되어 자기장으로 미세하게 제어됩니다. 올바른 방식으로 조정할 때,이 시스템의 장거리 상관 관계는 시공간의 간단한 모델에서 볼 수있는 것과 유사한 트리와 같은 지오메트리를 설명합니다. Schleier-Smith와 그녀의 동료들은이 작품을 구축하여 블랙홀을 포함한 더 복잡한 형상에 대한 아날로그를 만들기를 희망합니다. 입자 물리학 또는 우주론의 새로운 데이터가없는 경우 (무기한으로 계속 될 수있는 상황) 이것은 양자 중력에 대한 최신 아이디어를 시험에 적용하는 가장 유망한 경로 일 수 있습니다.
완벽한 예측의 위험
50 년 동안, 표준 모델 인 입자 물리학의 일반적인 이론은 입자 물리학 자의 끝없는 좌절에 거의 성공하지 못했습니다. 문제는 표준 모델이 성공에도 불구하고 분명히 불완전하다는 사실에 있습니다. 일반 상대성 이론을 대체하기위한 양자 중력 이론에 대한 오랜 검색에도 불구하고 중력은 포함되지 않습니다. 우주에있는 모든 것들의 95%를 차지하는 암흑 물질이나 암흑 에너지를 설명 할 수 없습니다. (표준 모델은 중성미자가 질량을 가지고 있다는 사실에 문제가 있습니다 - 예측하지 못한 유일한 입자 물리 현상.)
더욱
물리학 자들은 수수께끼의 실험 데이터에 필사적이며 표준 모델의 교체를 구축 할 때 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다. 표준 모델을 대체하는 주요 후보 인 String Theory는 종종 테스트 할 수 없다는 비난을 받았습니다. 그러나 현악 이론의 가장 이상한 특징 중 하나는 은하 구조의 실용적 인 위업이 필요하지 않은 양자 중력에 대한 아이디어를 테스트하는 방법을 제안합니다.
문자열 이론은 이원성으로 가득 차 있습니다. 동일한 수학적 구조를 공유하는 다른 물리 시스템 간의 관계. 아마도 이러한 이원성의 가장 놀랍고 결과는 적합성 필드 이론 (CFT)으로 알려진 중력이없는 4 차원의 양자 이론 유형과 항 -DE 시터 (ADS) 공간으로 알려진 중력을 가진 특정 종류의 5 차원 시공간 사이의 연결 일 것입니다. 이 광고/CFT 서신은 알려진 바와 같이 1997 년에 물리학 자 Juan Maldacena가 현재 고급 연구 연구소에서 처음 발견했습니다.
CFT는 ADS 공간보다 1 차원이 적기 때문에 전자는 3 차원 사과의 2 차원 피부와 같이 후자의 표면에 누워있는 것으로 생각할 수 있습니다. 그러나 표면의 양자 이론은 여전히 내부의 볼륨의 모든 특징을 완전히 포착합니다. 마치 피부를 보면 사과 내부에 대해 모든 것을 말할 수있는 것처럼. 이것은 물리학자가 홀로그래피라고 부르는 것의 예입니다. 3D 이미지를 생성하는 평평한 홀로그램과 같이 더 높은 차원 공간을 생성하는 저차원 공간입니다.
ADS/CFT 서신에서, 내부 또는 "벌크"공간은 표면의 양자 성분 간의 관계에서 나온다. 구체적으로, 벌크 공간의 기하학은 아인슈타인을 악명 높게 괴롭히는 "으스스한"양자 연결 인 얽힘으로 구축됩니다. 벌크의 이웃 영역은 표면의 고도로 얽힌 부분에 해당합니다. 벌크의 먼 영역은 표면의 얽힌 부분에 해당합니다. 표면에 단순하고 질서 정연한 얽힘 관계가있는 경우 해당 벌크 공간이 비어 있습니다. 표면이 혼란 스러우면 모든 부분이 다른 모든 부분과 얽히고 벌크가 블랙홀을 형성합니다.
ADS/CFT 서신은 양자 물리와 일반 상대성 이론 사이의 연결에 대한 깊고 유익한 통찰력입니다. 그러나 그것은 실제로 우리가 살고있는 세상을 묘사하지 않습니다. 우리 우주는 5 차원의 반 데이트 시터 공간이 아닙니다.“평평한”지오메트리가있는 4 차원 공간이 확장됩니다.
.그래서 지난 몇 년 동안 연구원들은 또 다른 접근법을 제안했습니다. 대량 (우리 자신의 우주)에서 시작하여 그것을 생산할 수있는 양자 얽힘 패턴을 찾고있는 대신, 우리는 다른 방향으로 갈 수 있습니다. 아마도 실험자들은 표면의 CFT와 같은 흥미로운 얽힘을 가진 시스템을 구축하고 나오는 시공간 지오메트리와 중력에 대한 유사체를 검색 할 수 있습니다.
말보다 쉽습니다. 중력 듀얼이있는 것으로 알려진 강력하게 상호 작용하는 양자 시스템과 같은 시스템을 구축 할 수는 없습니다. 그러나 이론가들은 가능한 시스템의 일부만 매핑했다. 다른 많은 사람들은 기존의 수학적 도구로 이론적으로 연구하기에는 너무 복잡하다. 이러한 시스템 중 하나가 실제로 어떤 종류의 시공간 지오메트리를 생성하는지 확인하려면 실험실에서 물리적으로 구성하고 중력 듀얼이 있는지 확인하는 유일한 옵션입니다. Maldacena는“이러한 실험 구성은 이러한 시스템을 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다. "우리가 알고있는 시스템보다 더 간단한 시스템이있을 수 있습니다." 따라서 Quantum Gravity 이론가들은 Schleier-Smith 및 그녀의 팀과 같은 양자 시스템에서 얽힘을 구축하고 제어하는 전문가들에게 전환했습니다.
양자 중력은 차가운 원자를 만난다
Schleier-Smith는“내가 항상 사랑했던 양자 역학 이론에는 정말 우아한 것이 있습니다. “실험실에 들어가면 우리가 구축하고 진공 시스템을 구축하고 지저분한 하드웨어를 구축 해야하는 모든 종류의 전자 제품과 모든 종류의 전자 제품이 있음을 알 수 있습니다. 그러나 하루가 끝나면 종이에 적을 수있는 이런 종류의 우아한 이론에 잘 매핑되는 방식으로 깨끗하고 제어되는 시스템을 만들 수 있습니다.”
.이 지저분한 우아함은 매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)에서 대학원 시절부터 슐레 스미스 (Schleier-Smith)의 작품의 특징으로, 그녀는 조명을 사용하여 원자 수집을 특정 얽힌 상태로 동축 시켰으며 이러한 양자 시스템을 사용하여 더 정확한 원자 시계를 구축하는 방법을 보여주었습니다. MIT 이후, 그녀는 2013 년 스탠포드에 상륙하기 전에 독일 Garching에있는 Max Planck Quantum Optics Institute of Quantum Optics에서 몇 년을 보냈습니다. 2 년 후, 이론적 물리학자인 Brian Swingle은 현악 이론, 양자 중력 및 기타 관련 주제에 대해 일하는 스탠포드에서 특이한 의문에 도달했습니다. Swingle은“기본적으로‘실험실에서 시간을 거꾸로 할 수 있습니까?’라는 이메일을 썼습니다. “그리고 그녀는 그렇습니다. 그래서 우리는 말하기 시작했습니다.”
Swingle은 블랙홀과 스크램블링으로 알려진 양자 현상을 연구하기 위해 시간을 역전시키기를 원했습니다. 양자 스크램블링에서, 양자 시스템의 상태에 대한 정보는 더 큰 시스템에 빠르게 분산되어 원래 정보를 복구하기가 매우 어렵습니다. Swingle은“블랙홀은 정보의 매우 좋은 스크램블러입니다. "그들은 정보를 아주 잘 숨 깁니다." 물체가 블랙홀에 떨어지면 해당 물체에 대한 정보는 나머지 우주에서 빠르게 숨겨져 있습니다. 블랙홀이 어떻게 물체에 빠지는 대상에 대한 정보를 모호하게하는지 이해하고 정보가 숨겨져 있거나 실제로 파괴되었는지 여부는 1970 년대 이후 이론 물리학의 주요 초점이되었습니다.
ADS/CFT 서신에서, 대량의 블랙홀은 수신 정보를 매우 빠르게 스크램블하는 표면의 밀집된 얽힘 웹에 해당합니다. Swingle은 실험실에서 빠르게 스크램블링하는 양자 시스템이 어떻게 보일지 알고 싶었고, 스크램블링이 가능한 빨리 발생하고 있음을 확인하기 위해서는 모든 상호 작용을 완벽하게 역전시킬 수있는 능력으로 연구자들이 문제의 양자 시스템을 엄격하게 제어해야한다는 것을 깨달았습니다. Swingle은“이를 수행하는 분명한 방법은 시스템을 효과적으로 빠르게 전달하고 되감을 수있는 능력이 필요했습니다. "그리고 그것은 당신이 일상적인 실험에서 할 수있는 일이 아닙니다." 그러나 Swingle은 Schleier-Smith의 실험실이 시간이 거꾸로 실행되는 것처럼 모든 상호 작용을 완벽하게 역전시키기에 충분히 원자 사이의 얽힘을 조심스럽게 제어 할 수 있다는 것을 알고있었습니다. "이 멋지고 고립되고 잘 제어되고 고도로 설계된 양자가 많은 신체 시스템이 있다면 기회가있을 수 있습니다."
.그래서 Swingle은 Schleier-Smith에게 손을 내밀어 그가하고 싶은 일을 그녀에게 말했습니다. Schleier-Smith는“그는이 추측 과정 이이 스크램블링 과정에서 그 일이 얼마나 빨리 일어날 수 있는지에 대한 기본 속도 제한이 있다고 설명했다. "그리고 실험실 에서이 기본 속도 제한으로 출격하는 양자 시스템을 구축 할 수 있다면 아마도 블랙홀의 아날로그 일 것입니다." 그들의 대화는 계속되었고 2016 년 스탠포드의 또 다른 이론가 인 패트릭 헤이든 (Patrick Hayden)과 그 당시 슐러 스미스 (Schleier-Smith)의 대학원생 중 한 명인 그레고리 벤텐슨 (Gregory Bentsen)과 함께 실험실에서 빠른 양자 스크램블링을 만들기위한 실현 가능한 방법을 요약 한 그레고리 벤텐슨 (Gregory Bentsen)과 함께 논문을 공동 저술했다.
그 작업으로 인해 Schleier-Smith는 실험실에서 조사 할 수있는 다른 양자 중력 문제를 고민했습니다. 그녀는“저는 생각하게 만들었습니다… 아마도 이것들은 실제로 다른 방법으로는 깨닫기 어려운 양자 중력의 장난감 모델을 깨닫기위한 좋은 플랫폼 일 것입니다. 그녀는 원자 쌍이 함께 얽히게되는 설정을 고려하기 시작했고, 각 쌍 자체는 다른 쌍과 얽히게되어 일종의 나무를 형성합니다. 그녀는“실제로 그렇게하는 것은 광범위한 것처럼 보였지만 적어도 나는 당신이 그렇게 할 수있는 시스템을 어떻게 설계 할 것인지 종이에 상상할 수있었습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그러나 그녀는 이것이 실제로 Quantum Gravity의 알려진 모든 모델에 해당하는지 확신하지 못했습니다.
강렬하고 친절한 Schleier-Smith는 학생 Bentsen이 발견 한 것처럼 그녀의 일에 대한 전염성 열정을 가지고 있습니다. 그는 이론적 물리학의 스탠포드에서 박사 과정을 시작했지만 슐 리에 스미스는 어쨌든 그를 그녀의 그룹으로 끌어 당겼다. 그녀는“나는 그에게 실험을하도록 확신했다. 그러나 그는 이론에 대한 관심을 유지했으며 부서의 이론가들과 대화하는 것을 좋아했다”고 회상했다. 그녀는 스탠포드의 또 다른 이론가 인 Sean Hartnoll과 논의한 Bentsen과 새로운 아이디어를 논의했습니다. Hartnoll은 차례로 Matchmaker를 연기하여 Schleier-Smith와 Bentsen을 Princeton University의 이론가 인 Steven Gubser와 연결했습니다. (Gubser는 나중에 암석 사고로 사망했습니다.)
당시 Gubser는 ADS/CFT 서신을 비틀기 위해 노력하고있었습니다. 물리학자가 일반적으로 사용하는 친숙한 종류의 숫자를 사용하는 대신, 그는 p 로 알려진 대체 번호 시스템 세트를 사용하고있었습니다. -숫자 숫자. p 의 주요 차이점 -Adics와 일반 "실제"숫자는 숫자의 크기가 정의되는 방식입니다. p 에서 -숫자의 크기는 주요 요인에 의해 결정됩니다. p 가 있습니다 -각 소수에 대한 아드 숫자 시스템 :2- 아딕, 3- 아딕, 5- 아딕 등. 각각의 p -Adic Number System, p 의 더 많은 요인 숫자는 숫자가 작습니다. 예를 들어, 2- 아딕의 경우 44는 45보다 0에 훨씬 가깝습니다. 44는 2의 요인이 2 인 반면 45는 없습니다. 그러나 3-Adics에서는 반대입니다. 45는 44보다 0에 가깝습니다. 45는 3의 두 가지 요소를 가지고 있기 때문입니다. 각 p -Adic Number System에는 일종의 트리로 표시 될 수 있으며, 각 지점은 모두 동일한 수의 요인을 갖는 숫자를 포함하여 p 에 동일합니다. .
p 사용 -Adics, Gubser 및 기타는 ADS/CFT 서신에 대한 놀라운 사실을 발견했습니다. p 을 사용하여 표면 이론을 다시 작성하면 -부동산이 아니라 부피는 일종의 무한 트리로 대체됩니다. 구체적으로, 그것은 유한 한 공간으로 포장 된 무한한 가지가있는 나무이며, p 의 구조와 비슷합니다 -자체 숫자. p Gubser는 Adics가“자연스럽게 홀로그램”이라고 썼다.
“ p 의 구조 Hartnoll은“[Gubser]가 나에게 Monika의 원자가 서로 상호 작용하는 방식을 상기시켜 주었다”고 말했다. Gubser는 2019 년 Schleier-Smith, Bentsen 등과 함께 논문을 공동 저술했습니다. 이 논문에서 팀은 p 과 비슷한 것을 얻는 방법을 설명했습니다. -실제 실험실에서 얽힌 원자에서 나오는 아픈 트리. 계획을 세우면서 Schleier-Smith와 그녀의 팀은 일을 시작했습니다.
실험실에서 시공간 구축
Stanford의 Schleier-Smith의 실험실은 방 중앙의 진공 챔버를 둘러싼 거울, 렌즈 및 광섬유 케이블의 밀집된 숲입니다. 그 진공 챔버에서, 18 개의 작은 루비듐 원자 (약 10,000)의 작은 수집가 라인으로 배열되고 절대 제로 이상의 정도의 일부가 경이적으로 저온으로 냉각된다. 특수 조정 된 레이저와 챔버의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 증가하는 자기장은 실험자가 어떤 그룹의 원자 그룹이 서로 상관 될 수 있는지 선택할 수있게합니다.
이 실험실 설정을 사용하여 Schleier-Smith와 그녀의 연구 그룹은 이웃 그룹이 라인의 중간에있는 것처럼 상관 관계가있는 것처럼 두 개의 원자 그룹을 선의 끝에서 얻을 수 있었으며, 끝을 연결하고 선을 상관 관계의 원으로 바꿀 수있었습니다. 그런 다음 원자의 수집을 트리와 같은 구조로 동축시켰다. 이 모든 것은 원자를 전혀 움직이지 않고 달성되었습니다. 상관 관계 "지오메트리"는 원자의 실제 공간 형상에서 완전히 분리되었습니다.
Schleier-Smith의 실험실에서 상호 작용 원자에 의해 형성된 트리 구조는 p 의 본격적인 실현이 아닙니다. Adic Ads/CFT는“실험실에서 홀로그래피를 향한 첫 단계”라고 Hayden은 말했습니다. ADS/CFT 서신의 창시자 인 Maldacena는 다음과 같이 동의합니다. "우리의 주제는 항상 매우 이론적 이었으므로 실험과의 접촉은 아마도 더 많은 질문을 제기 할 것입니다."
.헤이든은 이것을 미래의 길로 본다. "우리 우주에서 시공간의 출현을 이해하려고 노력하는 대신 실제로 실험실에서 장난감 우주를 만들고 그곳에서 시공간의 출현을 연구합시다"고 그는 말했다. “그리고 그것은 미친 일처럼 들립니다. 미친 과학자 같은 종류의 미친 듯이? 그러나 나는 양자 중력을 직접 테스트하는 것보다 그렇게하는 것이 실제로 더 쉽다고 생각합니다.”
.Schleier-Smith는 미래에 대해서도 낙관적입니다. “우리는 여전히 점점 더 많은 통제력을 얻는 단계에 있으며, 우리가 가진 양자 상태를 특징으로합니다. 그러나… 나는 우리가 무슨 일이 일어날 지 모르는 시점에 도달하고 싶습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “아마도 우리는 시스템의 상관 관계를 측정 할 수 있으며, 기하학적 설명이 있다는 것을 알게됩니다. 그것은 멋질 것입니다.”
