시간을 없애야 할 때입니까?

시인들은 종종 시간을 강으로 생각합니다. 여름의 무성한 꽃에서 봄의 섬세한 새싹을 분리하는 범위입니다.

물리학 자들은 시간을 다소 더 실용적인 용어로 생각합니다. 그들에게 시간은 변화를 측정하는 수단입니다. 구슬처럼 함께 묶여 불확실한 미래를 현재와 현재로 바꾸는 끝없는 순간 일련의 순간입니다. 시간의 개념을 통해 연구원들은 혜성이 태양을 돌면서 신호가 실리콘 칩을 통과하는 방법을 계산할 수 있습니다. 각 단계는 자연의 무수한 현상의 진화를 엿볼 수 있습니다.

다시 말해, 시간은 도구입니다. 실제로, 그것은 최초의 과학 도구였습니다. 이제 시간을 1 조 1 초 만에 얇게 얇게 썰을 수 있습니다. 그러나 슬라이스는 무엇입니까? 질량 및 거리와 달리 시간은 우리의 육체적 감각으로 인식 할 수 없습니다. 우리는보고, 듣고, 냄새, 만지거나, 맛 시간을 보지 못합니다. 그러나 우리는 어떻게 든 그것을 측정합니다. 이론가들의 간부들이 아인슈타인의 중력 법칙 인 상대성 이론의 일반적인 이론을 확장하고 개선하려고 시도함에 따라 시간에 문제가 있습니다. 큰 문제.

리버 사이드에있는 캘리포니아 대학교의 수학자 존 바즈 (John Baez)는“이것은 위기입니다. 우리 일상 세계의 물리학이 아닙니다. 스톱워치, 진자 및 수소 마스 시계는 저에너지 지구 환경에서 자연을 계속 추적 할 것입니다. 위기는 물리학 자들이 아 원자 입자의 소우주와 함께 거시적 (우주)을 가장 큰 규모로 통합하려고 시도 할 때 발생합니다.

뉴턴 아래에서 시간은 특별했습니다. 매 순간은 연구중인 현상과 분리 된 보편적 인 시계로 계산되었습니다. 일반적으로 상대성은 더 이상 사실이 아닙니다. 아인슈타인은 시간이 절대적이지 않다고 선언했다. 특별한 시계는 특별하지 않으며, 중력이 어떻게 작동하는지 설명하는 그의 방정식은 이것을 고려했다. 그의 중력 법칙은 당신의 게이지로 어떤 시계를 사용하든 동일하게 보입니다. 런던의 임페리얼 칼리지 (Imperial College)의 이론적 물리학 자 크리스토퍼 이함 (Christopher Isham)은“일반적으로 상대성 시간은 완전히 임의적입니다. "일반적인 상대성에서 나오는 실제 물리적 예측은 시계 선택에 의존하지 않습니다." 예측은 빛의 속도 근처에서 여행하는 시계를 사용하든 선반에 조용히 앉아있는 시계를 사용하든 동일합니다.

그러나 시계의 선택은 여전히 다른 물리, 특히 양자 역학 분야에서 중요합니다. 그것은 1926 년 Erwin Schrödinger의 유명한 파도 방정식에서 중심적인 역할을합니다. 방정식은 원자를 여행하든 원자를 돌고 있든 원자가가 파도 모음, 지점에서 순간부터 순간부터 시간에 따라 움직이는 파도의 모음으로 생각할 수있는 방법을 보여줍니다.

양자 역학의 비전에 따르면, 에너지와 물질은 Quanta라고 불리는 개별 비트로 자르며, 그의 움직임은 멍청하고 흐릿합니다. 그들은 미친 듯이 변동합니다. 이 입자의 행동은 로켓의 궤적이 할 수있는 방식으로 정확하게 해결할 수 없습니다. Schrödinger의 파동 방정식을 사용하면 입자 (파도 패킷)가 특정 위치 나 속도를 얻을 확률 만 계산할 수 있습니다. 이것은 아인슈타인조차도 불확실성에 대항하여 난간에있는 고전 물리학의 세계와 다른 그림입니다. 그는 하나님 께서 세상과 주사위를 연주 할 것이라고 결코 믿을 수 없다고 선언했다.

양자 역학은 물리학에 퍼지를 도입했다고 말할 수 있습니다. 입자의 정확한 위치를 정확히 찾아 낼 수 있지만 트레이드 오프시. 그런 다음 속도를 잘 측정 할 수 없습니다. 반대로, 입자가 얼마나 빨리 진행되고 있는지 알면 그것이 어디에 있는지 정확히 알 수 없습니다. Werner Heisenberg는이 이상하고 이국적인 상황을 그의 유명한 불확실성 원칙으로 요약했습니다. 그러나이 모든 행동은 불확실한 공간과 시간의 고정 된 단계 인 확고한 경기장에서 발생합니다. 신뢰할 수있는 시계는 항상 주변에 있으며, 실제로는 항상 필요합니다. 실제로 진행 상황을 추적하고 물리학자가 시스템의 변화를 설명 할 수 있습니다. 적어도 그것이 양자 역학의 방정식이 설정되는 방식입니다.

그리고 그것은 문제의 핵심입니다. 물리학 자들은 보편적 인 뉴턴 시간 내에 계속 작동하는 양자 역학의 아 원자 규칙을 통해 예측에 도달 할 수있는 특별한 시계가 필요하지 않은 물리학 법칙, 즉 중력을 어떻게 합병 할 것으로 예상됩니까? 어떤면에서, 각 이론은 다른 드러머의 비트 (또는 다른 시계의 진드기)에 행진하고 있습니다.

그렇기 때문에이 두 가지 물리 영역을 혼합하려고 할 때 상황이 조금 미쳐지기 시작합니다. 양자 중력이 작용하는 규모는 너무 작아서 현재 기술이 이러한 효과를 직접 측정 할 수는 없지만 물리학 자들은이를 상상할 수 있습니다. Quantum Particles를 시공간의 단단하고 유연한 매트에 놓으면 너무 많은 고무처럼 구부러지고 접습니다. 그리고 이러한 유연성은 입자를 추적하는 모든 클록의 작동에 큰 영향을 미칩니다. 작은 서브 미세한 영역에 잡힌 시계는 아마도 지진의 퀴버와 떨림 가운데서 진자 시계와 비슷할 것입니다. Isham은“여기서 경기장은 양자 효과를 겪고 있으며 하나는서야 할 것이 없다”고 설명했다. "당신은 당신이 시간의 개념이없는 상황에서 끝날 수 있습니다." 그러나 양자 계산은 확실한 시간 감각에 달려 있습니다.

유타 대학교 (University of University)의 일반 상대 주의자이자 명예 교수 인 카렐 쿠 차 (Karel Kucha)의 경우 양자 시간을 측정하는 열쇠는 영리한 수학, 적절한 시계를 사용하여 수십 년 동안 시도해 온 적절한 시계를 고안하는 것입니다. 본질적으로 보수적 인 Kucha는보다 급진적 인 솔루션으로 넘어 가기 전에 당신이 아는 것을 고수하는 것이 가장 좋다고 생각합니다. 그래서 그는 블랙홀의 내장이나 첫 번째 창조의 즉각과 같은 양자 중력에 의해 지배되는 특별한 영역에서 진행되는 물리학을 설명하는 데 사용될 수있는 양자 타임 키퍼 인 Newtonian Clock의 서브 미크 역경 버전이라고 불리는 것을 찾고 있습니다.

일상적인 물리학에 사용 된 시계와 달리 쿠차의 가상 시계는 코너에 서 있지 않으며, 그 주위에 일어나고있는 일에 영향을받지 않을 것입니다. 양자 중력이 규칙을 지정하는 작고 조밀 한 시스템 내에 설정되어 있으며 그 일부 및 소포가 될 것입니다. 이 내부자 상태에는 함정이 있습니다. 시스템이 변경됨에 따라 시계가 변경됩니다. 따라서 시간을 추적하려면 이러한 변형을 모니터링하는 방법을 알아 내야합니다. 어떤면에서, 그것은 당신의 손목 시계를 열고 그것을 참조하고 싶을 때마다 작업을 확인하는 것과 같습니다.

이 특별한 유형의 시계의 가장 일반적인 후보는 단순히 "물질 시계"입니다. “이것은 물론 시간 이후로 우리가 익숙한 시계의 유형입니다. 우리 주변의 모든 시계는 물질로 구성되어 있습니다.”라고 Kucha는 지적합니다. 결국 기존의 시간 유지는 입자 세트 또는 유체와 같은 일부 재료 매체를 선택하고 변화를 표시하는 것을 의미합니다. 그러나 펜과 종이를 사용하면 쿠차는 수학적으로 물질 시계를 양자 중력의 영역으로 가져옵니다. 여기서 중력장은 매우 강하고 확률 적 양자 역학적 효과가 발생하기 시작합니다. 그는 시계가 없었던 곳에서 시간이 걸립니다.

그러나이 도메인에 들어가면서 Kucha는“물질은 더 밀도가 높고 밀도가 높아집니다.”라고 말합니다. 그리고 그것은 이러한 극한 조건에서 시계로 선택된 모든 형태의 물질에 대한 아킬레스 힐입니다. 결국 그것은 찌그러집니다. 그것은 처음부터 분명해 보일지 모르지만 쿠 차는 시계가 어떻게 분해되는지 정확하게 조사하여 프로세스를 더 잘 이해하고 그의 이상적인 시계를 구성하기위한 새로운 수학 전략을 고안 할 수 있어야합니다.

양자 시계로서 더 유망한 것은 공간 자체의 기하학입니다. 유아 우주가 확장되거나 블랙홀 형태의 시공간의 변화하는 곡률을 모니터링합니다. Kucha는 그러한 속성이 양자 중력의 극한 조건에서 여전히 측정 할 수 있다고 추측합니다. 확장 코스모스는이 체계의 가장 간단한 예를 제공합니다. 작은 유아 우주를 팽창하는 풍선으로 상상해보십시오. 처음에는 표면이 급격히 구부러집니다. 그러나 풍선이 날아 가면 표면의 곡률이 얕고 얕아집니다. Kucha는“변화하는 기하학은 당신이 다른 시간이 아닌 한 순간에 있다는 것을 알 수 있습니다.”라고 설명합니다. 다시 말해, 시계로 기능 할 수 있습니다.

불행히도, Kucha가 지금까지 조사한 각 유형의 클럭은 다른 양자 설명, 시스템 행동에 대한 다른 예측으로 이어집니다. Kucha는“시공간 한 시계와 관련하여 양자 역학을 공식화하고 하나의 답변을 얻을 수 있습니다.

“그러나 다른 유형의 시계, 아마도 전기장을 기반으로 한 시계를 선택하면 완전히 다른 결과를 얻을 수 있습니다. 이 설명 중 어느 것이 옳은지 말하기는 어렵습니다.”

그 이상으로, 선택된 시계는 결국 무너져서는 안됩니다. 양자 이론은 공간을 잘라낼 수있는 방법에 대한 제한이 있음을 시사합니다. 상상할 수있는 공간의 가장 작은 양자 곡물은 폭 10 센티미터, Quantum의 발명가 인 Max Planck의 이름을 따서 명명 된 플랑크 길이입니다. 그 무한한 규모에서, 시공간 캔버스는 화난 바다의 화이트 캡처럼 고르지 않고 뒤죽박죽으로 변합니다. 공간과 시간은 팽팽 해지고 확률 론적 거품에서 존재하지 않고 윙크를 시작합니다. 우리가 알고 있듯이 시간과 공간은 더 이상 쉽게 정의되지 않습니다. 이것이 물리학이 알 수없고 이론가들이 흔들리는 땅에서 걷기 시작하는 시점입니다. 물리학 자 Paul Davies는 그의 책 time 에서 지적합니다. ,“가능한 모든 시공간, 우주 기울기 및 타임 워프가 일종의 칵테일이나‘거품’으로 함께 혼합 된 모든 가능한 형상을 상상해야합니다. "

양자 중력에 대한 완전히 발달 된 이론만이 상상할 수 없을 정도로 작은 수준의 시공간에서 실제로 일어나는 일을 보여줄 것입니다. Kucha는이 시점에서 일반 상대성 이론 (아직 알려지지 않은)의 일부 속성이 양자 변동을 겪지 않을 것이라고 추측한다. 무언가가 붙잡고 칙칙하지 않을 수 있습니다. 그것이 사실이라면, 그러한 재산은 쿠 차가 오랫동안 찾고 있었던 신뢰할 수있는 시계 역할을 할 수 있습니다. 그리고 그 희망으로, 쿠차는 다양한 가능성을 계속해서 탐구하고 있습니다.

Kucha는 일반 상대성 이성을 양자 역학의 스타일로 만들고 특별한 시계를 찾으려고 노력해 왔습니다. 그러나 양자 중력을 이해하려는 다른 물리학 자들은 수정이 다른 방식으로 일어날 것이라고 믿습니다. 시간이 배경으로 밀려 나가는 일반 상대성 이론에서 양자 중력을 이루어야한다는 것을 믿습니다. Carlo Rovelli는이 견해의 챔피언입니다.

시간을 잊어 버리십시오.”Rovelli는 강조 적으로 선언합니다. "시간은 단순히 실험적인 사실입니다." 프랑스 이론 물리학의 중심에있는 물리학자인 Rovelli는 본질적으로 시대를 초월한 양자 중력에 대한 접근 방식을 연구하고 있습니다. 계산을 단순화하기 위해 그와 그의 공동 작업자 인 물리학자인 Abhay Ashtekar와 Lee Smolin은 시계없이 이론적 인 공간을 설정했습니다. 이런 식으로, 그들은 새로운 변수 세트를 사용하여 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론을 다시 작성하여 양자 수준에서 더 쉽게 해석되고 적응할 수있었습니다.

그들의 공식은 물리학 자들이 새로운 방식으로 아 원자 척도에서 중력이 어떻게 행동하는지 탐구 할 수있게 해주었다. 그러나 시간에 대한 언급 없이는 실제로 가능합니까? Rovelli는“먼저 특별한 상대성 이론과 일반적인 상대성으로, 우리의 고전적인 시간 개념은 약하고 약해졌습니다. “우리는 시간 측면에서 생각합니다. 우리는 그것을 필요로합니다. 그러나 우리의 생각을 수행하는 데 시간이 필요하다는 사실은 그것이 현실이라는 것을 의미하지는 않습니다.”

Rovelli는 물리학자가 한 배너 아래에 자연의 모든 힘을 연결하는 통일 된 법을 찾으면 시간에 대한 언급없이 쓰여질 것이라고 믿는다. Rovelli는“그러면 어떤 상황에서는 중력장이 극적으로 강하지 않을 때와 같이 현실이 스스로 조직되어 우리가 시간이라고 부르는 흐름을 인식 할 수 있도록 자체적으로 조직됩니다.”

Rovelli는 가장 근본적인 물리 법칙에서 시간을 없애는 것은 아마도 16 세기 과학자들이 코페르니쿠스가 지구가 아닌 지구의 중심에 태양을 배치했을 때와 같은 조정을 요구할 것이라고 말했다. 그렇게함으로써, 폴란드 성직자는 지구를 효과적으로 쫓아 냈지만, 그 당시에는 탑승자가 표면에서 뛰어 내리지 않고 태양에 대한 궤도를 따라 지구가 어떻게 궤도를 따라 옹호 할 수 있는지 상상하기가 어려웠습니다. Rovelli는“1500 년대에 사람들은 움직이는 지구가 불가능하다고 생각했습니다.

그러나 아마도 아 원자 세계에 적용되는 규칙을 포함하여 진정한 규칙은 시대를 초월 할 수 있습니다. 실제로, 양자 역학의 법칙을 다시 작성하기위한 운동이 진행 중이며, 다른 양자 수수께끼들 중에서도 시간의 문제에 의해 부분적으로 촉발 된 리노베이션. 이 프로그램의 일환으로, 이론가들은 시간에 대한 직접적인 참조를 제거하기 위해 양자 역학의 가장 기본적인 방정식을 다시 제출하고 있습니다.

이 접근법의 뿌리는 1940 년대에 물리학 자 Richard Feynman이 도입 한 절차로 추적 될 수 있으며, 산타 바바라의 캘리포니아 대학의 제임스 하틀 (James Hartle)과 물리학 노벨상 수상자 머레이 겔 만 (Murray Gell-Mann)을 포함한 다른 사람들이 확장하고 확장 한 방법입니다.

기본적으로 Schrödinger의 방정식을 보는 새로운 방법입니다. 원래 설정 한 바와 같이,이 방정식을 사용하면 물리학자는 지정된 시간에 걸쳐 지점 A에서 지점 B로 직접 이동할 확률을 계산할 수 있습니다. 대신 Feynman이 도입 한 대체 접근법은 대신 입자가 기회가 얇아도 A에서 B로 얻을 수있는 무한한 수의 경로를 고려합니다. 시간은 요인으로 제거됩니다. 잠재적 경로만이 중요합니다. 이러한 잠재력을 요약하면 (일부 경로는 초기 조건에 따라 다른 경로보다 더 가능성이 높습니다), 특정 경로는 결국 나타납니다.

과정은 때때로 파도 간의 간섭과 비교됩니다. 바다의 두 파도가 결합되면 서로 강화하거나 (새롭고 더 큰 파도로 이어지거나) 서로를 완전히 취소 할 수 있습니다. 마찬가지로, 당신은 이러한 많은 잠재적 경로를 서로 상호 작용하는 것으로 생각할 수 있습니다. 더 중요한 것은 시간 변수가 더 이상 계산에 들어 가지 않는다.

Hartle 은이 기술을 양자 우주론에서 그의 추구에 적응 시켰으며, 이는 양자 역학의 법칙이 젊은 우주에 적용되어 진화를 식별하는 노력입니다. 그러나 개별 입자를 다루는 대신, 그는 잠재적 인 우주의 무한한 배열 인 진화하는 우주를 묘사 할 수있는 모든 구성과 함께 일합니다. 그가 이러한 다양한 구성, 즉 서로를 향상시키고, 다른 사람들이 서로를 취소하는 경우에도 특히 시공간이 나타납니다. 이런 식으로 Hartle은 양자 중력 시대에 우주의 행동에 대한 단서를 얻기를 희망합니다. 편리하게, 그는 물리학을 수행하기 위해 특별한 시계를 선택할 필요가 없습니다. 시간은 필수 변수로 사라집니다.

물론, Isham은“시간을 없애고 시간이 우리를 둘러싼 평범한 세상으로 돌아가는 방법을 설명해야합니다.” 양자 중력 이론가들은 직감이 있습니다. Rovelli와 마찬가지로 많은 사람들이 시간이 전혀 기본이 아니라고 의심합니다. 이 주제는 시간의 문제를 해결하기위한 다양한 접근법에서 반복해서 경고합니다. 그들은 시간이 온도 나 압력과 같은 물리적 특성과 더 유사 할 수 있다고 말합니다. 압력은 하나의 입자 또는 하나의 원자에 대해 이야기 할 때 의미가 없습니다. 압력의 개념은 우리가 1 조의 원자를 고려할 때만 발생합니다. 시간의 개념은이 통계적 기능을 잘 공유 할 수 있습니다. 그렇다면 현실은 Pointillist 그림과 비슷합니다. 가장 작은 비늘 (플랑크 길이)에서는 페인트 한 덩어리에서 쌓인 포인트리스트 페인팅이 닫히지 않을 수있는 것과 마찬가지로 의미가 없을 것입니다.

양자 중력 이론가들은 자신을 고고학자와 비교하는 것을 좋아합니다. 각 수사관은 다른 사이트에서 파고 들고 광대 한 지하 도시의 별도의 인공물을 찾고 있습니다. 발견의 전체 범위는 아직 실현되지 않았습니다. 이론가들이 필사적으로 필요한 것은 데이터, 다른 접근법을 결정하는 데 도움이되는 실험적 증거입니다.

빅뱅의 지옥 같은 조건을 재현 해야하는 것처럼 보이는 것은 불가능한 과제 인 것 같습니다. 그러나 반드시는 아닙니다. 예를 들어, 시공간의 고무 같은 매트에서 잔물결을 감지하는 미래 세대의“중력 파 망원경”은 언젠가 빅뱅의 잔향을 일으키는 천둥, 중력의 힘이 처음 등장했을 때 창조의 유물을 느낄 수 있습니다. 그러한 파도는 공간과 시간의 본질에 중요한 단서를 제공 할 수 있습니다.

쿠차는“우리는 빅뱅의 첫 10 분 동안 무슨 일이 있었는지 말할 수 있다고 말할 수 없을 것이라고 믿지 않았을 것입니다. “그러나 우리는 이제 요소의 풍부함을 보면서 그렇게 할 수 있습니다. 아마도 우리가 플랑크 규모의 물리학을 충분히 이해한다면, 오늘날 관찰 할 수있는 특정 결과 (평가)를 찾을 수있을 것입니다.” 발견된다면, 그러한 증거는 우리에게 우리의 기원에 가장 가까운 곳을 가져다 줄 것이며 아마도 약 140 억 년 전에 공간과 시간이 어떻게 나왔는지 마침내 인식 할 수있을 것입니다.

Marcia Bartusiak은 Massachusetts Institute of Technology에서 과학 작문의 작가, 기자 및 대학원 프로그램 교수입니다. 그녀는 천문학과 물리학에 대해 씁니다.

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