우리의 우주에 대한 두 가지 무두질의 미스터리가 있습니다. 하나는 최종 운명을 다루고 다른 하나는 시작과 함께 수십 년 동안 우주론 자들을 흥미롭게 해주었습니다. 커뮤니티는 항상 이것이 독립적 인 문제라고 믿었습니다. 그러나 그렇지 않다면 어떻게해야합니까?
첫 번째 문제는 오늘날 우주의 확장을 가속화하고 있으며 최종 운명을 결정하는 "Dark Energy"라는 존재와 관련이 있습니다. 이론가들은 암흑 에너지의 영향은 우주 론적 상수라고 불리는 아인슈타인의 중력 방정식에 용어를 도입함으로써 설명 될 수 있다고 말합니다. 그러나이 설명이 작동하기 위해서는 우주론 상수는 매우 구체적이고 작은 값을 가져야합니다. 천연 단위에서 우주 상수는 1으로 나눈 숫자로 나뉘어져 있으며 123 Zeros! 이 가치를 설명하는 것은 오늘날 이론 물리학이 직면 한 가장 큰 도전 중 하나로 간주됩니다.
두 번째 문제는 우리 우주를 형성하는 또 다른 중요한 수와 관련이 있으며 은하 및 은하 그룹과 같은 구조물의 형성과 관련이 있습니다. 우리는 초기 우주에 매우 매끄럽지 만 오늘날 우리가 보는 모든 우주 구조의 씨앗 역할을하는 밀도의 작은 변동이 포함되어 있음을 알고 있습니다. 이러한 변동은 오늘날의 관찰과 일치하기 위해 특정 크기와 모양이 있어야합니다. 우주의 진화에서 가장 초기 단계에서 이러한 작은 변동이 어떻게 만들어 졌는지 이해하고 그들의 크기와 모양을 설명하는 것은 우주론에서 똑같이 매혹적인 미스터리입니다.
우주론에 대한 기존의 접근 방식에서,이 두 숫자 (우주 상수의 수치 적 가치와 초기 섭동의 크기)는 관련이없는 것으로 간주됩니다. 결국, 하나는 우주의 가장 초기 단계를 다루고, 다른 하나는 우주 시간에 약 140 억 년 동안 분리 된 매우 늦은 단계를 다룹니다. 또한 표준 우주론은 기본 원칙 에서이 두 숫자에 대한 설명을 제공하지 않습니다. 우주의 기존 모델은 우주 상수의 수치 적 가치에 대해 완전히 침묵하거나 완전히 부적절한 가치를 예측합니다. 초기 섭동의 규모와 관련하여, 가장 인기있는 접근법은 인플레이션을 묘사하는 모델의 클래스로부터이를 얻는 것입니다. 이는 우주 초기 단계에서 빠른 성장 기간 인 인플레이션을 설명하는 것입니다. 인플레이션 모델의 문제점은 거의 원하는 결과를 생성하도록 설계 될 수 있으므로 예측력이 전혀 부족하다는 것입니다.
저의 딸인 Hamsa Padmanabhan 및 스위스 ETH 취리히의 Tomalla Fellow와 협력하여 최근의 작품은이 두 숫자를 우주의 창조와 우주의 창조와 연결하고 정확한 수치 적 가치를 설명합니다. 우리 논문은 최근 Physics Letters B 에 출판되었습니다 , 우주 론적 상수의 존재와 그 작은 가치의 존재는 우주 시공간의 정보 내용의 직접적인 결과로 이해 될 수 있음을 보여줍니다. 보너스로서, 분석은 초기 우주에서 작은 변동의 크기와 모양에 대한 올바른 값으로 이어집니다.
이러한 기본 상수의 놀라운 합류는 우주에 대한 우리의 이해에 중요한 영향을 미칩니다. 특히, 그것은 빅뱅에 대한 우리의 이해를 재 작성하고 우주 초기 단계에서 모든 인플레이션 기간의 필요성을 제거합니다.
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빅뱅은 아마도 표준 우주론의 가장 유명한 특징 일 것입니다. 그러나 그것은 또한 바람직하지 않은 것입니다. 아인슈타인의 방정식에 의해 묘사 된 우주의 고전적인 모델은 무한 밀도와 온도를 포함하여 물리학 자들이 특이점이라고 부르는 빅뱅의 조건에서 분해되기 때문입니다.
그러나 특이점이 없다면 어떨까요? 1960 년대 이래로 물리학 자들은 중력 이론과 양자 이론을 양자 중력이라고 불리는 것으로 통합함으로써 빅뱅없이 우주를 묘사하기 위해 노력해 왔습니다. 물리학 자 John Wheeler와 Bryce DeWitt는 이러한 아이디어가 우주의 가상의 사전 기학적 단계에 최초로 적용했으며, 공간과 시간의 개념은 아직 알려지지 않은 구조에서 아직 뿌려지지 않았습니다. 이것은 물리학 자들이 우주의 단순한 장난감 모델의 역학을 양자 언어로 묘사하려고 시도한 양자 우주론 연구를 예고했다. 말할 것도없이, 수십 년 동안 지오 올해 전 단계에 대한 설명을위한 몇 가지 다르지만 관련된 아이디어가 있습니다. 이들 모델의 통일 된 주제는 고전적인 우주가 단 특이성없이 사전 지오메트리 단계에서 아인슈타인의 방정식에 의해 시공간이 설명되는 1 단계로의 전환을 통해 발생한다는 것이다. 그러한 설명을 구성하는 데있어 주요한 어려움은 우리가 양자 중력에 대한 완전한 이론이 없다는 것입니다. 
이 기술적 인 어려움을 우회하는 데 도움이되는 우리가 도입 한 주요 새로운 성분은 우주 정보의 개념입니다. 물리학 설명에서 정보가 중요한 역할을해야한다는 생각은 최근에 상당한 지원을 받았습니다. 이 개념은 예를 들어 양자 블랙홀 연구에서와 같이 양자 이론과 중력의 원리를 결합하려고 시도 할 때 여러 맥락에서 발생합니다. 이러한 모델 중 일부에는 흥미로운 홀로 그래피 개념이 있으며, 이는 벌크 영역의 정보 내용이 해당 경계의 정보 내용과 관련 될 수 있음을 시사합니다. 그러나 불행히도, 정보의 수학적 설명은 다른 맥락에서 다른 것으로 밝혀졌으며, 우리는 여전히 모든 경우에 적용 가능한 통일 원칙을 찾지 못했습니다. 따라서 정보의 개념을 전체 우주에 적용하려면 먼저 물리적으로 적절한 정의를 제시해야합니다.
우리가 사용한 우주 정보의 정의는 비유로 가장 잘 설명 될 수 있습니다. 얼음 조각이 물을 형성하면 고체에서 액체상으로의 전환이 발생합니다. 위상 전이의 실제 역학은 매우 복잡 할 수 있지만 얼음의 총 원자 수는 물의 총 원자 수와 동일합니다. 이 숫자는 시스템의 자유도 수를 나타내며, 위상 전이 중에는 변하지 않습니다. 유사하게, 우주의 탄생으로 이어진 위상 전이는 기학 전 단계의 자유도를 고전적인 시공간의 자유도와 연결하는 숫자로 설명 될 수있다. 우리는“Cosmin”이라고 부르는이 숫자를 사용하여 우주의 두 단계를 연결하여 완전한 양자 중력 모델의 합병증을 우회 할 수 있습니다.
물리적 관찰 가능한 숫자 인 Cosmin은 유한해야합니다. 실제로 우리는 특이점이 없을 때 모든 물리적 수량이 유한 할 것으로 기대합니다. 또한, 우리는 우주가 오늘날 우리가 관찰하는 것처럼 우주가 늦은시기에 가속화 된 확장 단계를 겪는 경우에만 우주인이 유한 할 것임을 입증 할 수있었습니다. 이 연결은 우주론 상수의 존재에 대한 근본적인 이유뿐만 아니라 수치 가치를 계산하는 수단을 시사합니다. 우리가 우주의 가치를 알고 있다면
.우주의 기학 전 또는 양자 중력 단계에서 코스민의 가치는 여러 양자 중력 모델에 의해 반복적으로 제안 된 결과를 사용하여 결정될 수있다. 양자 중력 단계에서 고전 단계로 전송 된 총 정보는 단순한 숫자와 같아야합니다. 이는 단위 반경 구의 단위 표면 면적당 하나의 정보 단위와 동일합니다. 이 사실을 사용하여 우주가 양자 중력 단계에서 고전적인 단계로 전환 한 에너지 척도와 우주 상수의 수치 값을 관련시킬 수 있습니다.
.이 전이 에너지 척도는 우리 우주의 두 번째 수수께끼의 특징과 관련이있을 수 있습니다. 초기 우주에서 작은 양자 변동의 크기는 오늘날 우리가 보는 은하와 은하 클러스터를 형성합니다. 이러한 변동의 크기를 계산하기위한 인기있는 절차는 우주의 인플레이션 모델을 사용하는 것인데, 이는 초기 우주가 막대한 크기의 크기 증가를 거치는 것으로 묘사합니다. 그러나 인플레이션 모델은 모든 모양과 크기로 제공 되며이 진폭에 대한 모든 가치를 생성하도록 설계 될 수 있습니다. 원시적 변동의 형태가 원래 1970 년 에드워드 로버트 해리슨 (Edward Robert Harrison) (그리고 Yakov B. Zeldovich에 의해 독립적으로)에 의해 얻어졌으며 해리슨-젤 도비치 스펙트럼이라고 불린다는 것은 가치가 없습니다. 많은 사람들이 감사하거나 강조하지 못하는 것은 해리슨이 인플레이션 모델이 발명되기 10 년 이상 자신의 결과를 도출했다는 것입니다!
우리의 모델을 사용하면 우주론 상수의 수치 값과 원시 변동의 크기 인 숫자를 두 가지 숫자를 상기 전 우주가 위상 전이를 거쳐 우리 모두가 살고있는 고전적인 우주가 된 에너지 척도와 두 가지를 모두 연관시킬 수 있습니다. LO와 보라, 우리는 적절한 에너지 척도를 선택할 때, 우리는이 양으로 올바른 관찰 된 가치를 얻습니다. 이것은 결국 우주 상수, 원시 변동의 진폭 및 우주의 가치 사이의 대수적 관계로 이어진다. 우주 론적 매개 변수의 관찰 된 값을 사용 하여이 관계를 돌리고 우주가 실제로 4π인지 테스트 할 수 있습니다. 이론은 비행 색상으로 테스트를 통과합니다. 우리는 관측에서 결정된 코스 민이 1,000에서 한 부분의 정확도에 4π와 같다는 것을 알았습니다.
우주 학적 매개 변수의 복잡한 조합 (서로 관련이없는 것으로 생각되는 것은 간단한 가치를 가져야한다는 것은 놀라운 일입니다. 기존의 접근법은이 결과를 무작위 수치 우연의 일치로 간주해야합니다. 반면에 우리는 그것이 우리의 우주에 대해 깊고 아름다운 것을 말하고 있다고 믿습니다.
우리는 우리가 우주 상수의 수치 값을 초기 우주의 변동 크기에 연결하려는 첫 번째 노력이라고 생각하며, 첫 번째는 조정 가능한 매개 변수가없는 모델 에서이 두 숫자를 모두 얻었으며 고전 우주가 존재하는 에너지 척도와 관련이 있습니다.
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이러한 모든 아이디어는 양자 중력의 더 넓은 틀 안에 있습니다. 물리학 자들은 거의 50 년간의 일을 한 후에도 여전히 가지고 있지 않다는 이론입니다. 우리 모델의 강점 중 하나는 양자 중력의 세부 사항이 해결 될 필요가 없다는 것입니다. 그러나 양자 중력의 특성과 시공간 구조에 관한 두 가지 중요한 힌트를 제공합니다. 첫째, 원자로 만들어진 것처럼 시공간은 미세한 자유 도로 만들어진 것으로 생각되어야한다는 것을 강력하게 시사합니다. 둘째, 우주의 기원에 대한 올바른 이론은 사전 지오메트리 단계에서 고전적인 단계로의 위상 전이를 포함 할 가능성이 높다는 것을 시사한다.
.이 힌트는 또한 주요 질문에 대답 할 수 있습니다. 왜 수십 년의 작업 후에 이론가들이 여전히 중력과 양자 이론을 통합하지 않은 이유는 무엇입니까? 우리는 이것이 또 다른 비유로 가장 잘 설명 될 수 있다고 생각합니다. 우리는 유체 역학이 일련의 방정식으로 표현 된 자기 일관된 물리 이론으로 묘사 될 수 있음을 알고 있습니다. 우리가 이러한 방정식을 기본적으로 받아들이고 양자 이론의 원리를 적용한다면, 우리는 예를 들어 포논의 개념 (개별 진동의 양자)과 그 상호 작용과 같은 흥미로운 새로운 현상을 발견 할 수 있습니다. 그러나 우리는 그러한 접근 방식으로 물질의 양자 구조에 도달 할 수 없습니다.
중력을 설명하는 방정식이 이러한 방식으로 유체 역학의 방정식과 유사하다는 증거가 있습니다. 다시 말해, 양자 이론의 원리를 사용하여 중력을 설명하는 방정식을 재 해석하는 것은 유체 역학의 방정식에 양자 원리를 적용하는 것과 유사합니다. 우리는 이런 식으로 시공간의 양자 적 특성을 발견하지 못할 것입니다. 우리는 아인슈타인의 이론을 정량화하려는 수십 년의 노력이 실패로 이어진 이유라고 생각합니다.
.대신에 필요한 것은 중력의 본질을 재검토하고 시공간의 미세한 구조에 대해 우리에게 말하는 것을 배우는 것입니다. 이러한 접근법은 물리학 자 루드비히 볼츠 만 (Ludwig Boltzmann)이 열 현상이 개별 자유도 (즉, 원자)로 이루어져야한다는 것을 이해하는 데 사용한 것입니다. Boltzmann은 본질적으로 무언가가 뜨거울 수 있다면 미세한 자유도를 포함해야한다고 말했다.
시공간도 온도를 가질 수 있으므로 특정 관찰자에게는 더운 것처럼 보일 수 있습니다. 이 아이디어는 블랙홀의 특정 맥락에서 Jacob Bekenstein과 Stephen Hawking의 작품을 통해 먼저 나타났습니다. 그 후 곧 70 년대 중반, Bill Unruh와 Paul Davies의 작품은 이것이 시공간의 매우 일반적인 특징임을 보여주었습니다. Boltzmann의 패러다임을 정상적인 물질과 같은 시공간과 뜨거울 수 있다는 사실과 결합하면 시공간이 물질의 원자와 같은 내부 자유도를 가져야한다는 결론을 내립니다. 이 결론을 뒷받침하는 이론적 증거는 최근 몇 년 동안 나타났습니다. 이 관찰은 시공간의 미세 구조를 이해하는 열쇠를 가지고 있으며 세 가지 놀라운 결과로 이어집니다.
첫째, 시공간 영역의 진화는 해당 영역의 벌크 및 경계에 상주하는 자유도 (또는 동등한 정보 내용) 측면에서 설명 될 수 있습니다. 둘째, 중력은 제로 수준의 에너지의 변화에 면역이됩니다. 아인슈타인의 이론에서, 중력은 절대 에너지의 양에 반응하여 우주 론적 일정을 사실상 계산하기가 불가능하게 만듭니다. 정보 내용을 기반으로 한 패러다임에서는 그렇지 않습니다. 셋째, 정보 접근법은 아인슈타인의 방정식에 대한 특정 해결책에 의해 설명 된대로 우주 진화를 생각해서는 안된다고 제안한다. 대신, 이러한 방정식은 시공간의 자유 도의 자유도를 설명하는보다 정확한 방정식 세트에서 적절한 한계로 발생합니다.
우리의 Cosmin 모델에 의해 검증 된 정보 접근법은 우주에 대한 생생한 새로운 그림을 제공합니다. 열원은 주위의 얼음을 녹여 물의 영역을 만들어 팽창하여 국부 열역학적 평형에 도달합니다. 위상의 경계에 가까운 대규모로, 얼음 덩어리가 내부에서 가열되기 때문에 분자는 아직 평형에 도달하지 못했습니다. 엄청나게 충분히 이것은 우리 우주의 행동과 비슷합니다. 물이있는 지역은 관찰 된 우주와 유사합니다 (아인슈타인의 이론에 의해 설명됨). 그것은 양자 중력의 예외에 의해 묘사 된 사전 지명 상 (얼음과 유사)으로 둘러싸여 있습니다. 빅뱅의 개념은 완전히 제거되어 경계에서 한 단계에서 다른 단계로의 전환으로 대체됩니다. 그리고 우주 초기 역사에서 인플레이션 기간의 필요성도 제거됩니다.
전체 프레임 워크는 단일 매개 변수로 설명되기 때문에 간단하고 우아합니다. 초기 유니버스 위상 전이의 에너지 척도는 유아법에서 아인슈타인 지오메트리로 전환됩니다. 이것은 수많은 매개 변수를 포함하고 예측력이 부족한 표준 인플레이션 모델과 다릅니다. 우리의 모델은 테스트되지 않은 물리학을 사용하지 않습니다. 만 우리가하는 가정은 우주의 정보 내용이 단위 구체의 영역 인 4π와 같아야한다는 것입니다.
이 연구는 세 가지 새로운 연구 길을 열어줍니다. 첫째, 다른 양자 중력 모델에서 기학 전 단계의 물리학을 탐구하도록 초대합니다. 둘째,이 작품에 사용 된 우주 정보의 특정 개념을 탐색하고 다른 맥락에서 사용 된 다른 유사한 정보와 관련시킬 수있는 기회를 열어줍니다. 셋째, 시공간은 더 많은 기본 자유 도로 만들어 졌다는 개념을 강화하고, 원자로 만들어지기 때문에, 우리가 응축 된 물질 물리학에서 다른 단계의 물질을 탐색하는 것처럼 시공간의 다른 단계를 연구해야합니다.
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Thanu Padmanabhan은 인도의 천문학 및 천체 물리학 간 중심지의 저명한 교수입니다. 그는 [email protected]. 로 연락 할 수 있습니다
참조
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3. Padmanabhan, T. 우리는 우주를 정말로 이해합니까? rendus physique 를 계산합니다 18 , 275-291 (2017).
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