1990 년대 중반, 나는 수학을 공부했습니다. 나는 내 인생에서 무엇을하고 싶었는지 확신하지 못했지만 자연 세계를 묘사하기 위해 수학의 힘에 경외심을 느꼈습니다. 차등 기하학 및 거짓말 대수에 관한 수업을 마친 후, 나는 수학 부서에서 기본 물리학에서 가장 큰 문제에 대해 제공하는 세미나 시리즈에 참석했습니다. 중력을 정량화하고 모든 자연의 힘을 하나의 이론적 우산 아래로 가져 오는 방법. 세미나는 Penn State University의 Abhay Ashtekar가 개척 한 새로운 접근 방식에 중점을 두었습니다. 이전에 겪었던 연구가 아니었고, 문제가 해결되었다는 인상을 받았습니다. 뉴스는 아직 퍼지지 않았다.
그것은 순수한 생각에 대한 분명한 승리처럼 보였다. 수학적 일관성의 요구 사항은 예를 들어 Higgs Boson의 발견으로 이어졌습니다. HIGGS가 없으면 입자 물리학의 표준 모델은 큰 Hadron Collider의 범위 내에서 1 개의 테라 전자-볼트 이상의 에너지에서 충돌하는 입자에 대한 작용을 중단 할 것입니다. 확률은 더 이상 100 %에 추가되지 않으며 수학적 의미를 유지하는 것이 막을 것입니다. 따라서 그 에너지가 넘어지면 새로운 것이 나타나야했습니다. iggs는 물리학 자들이 생각할 수있는 가장 간단한 가능성이었습니다. 
20 년대와 30 년대에 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 양자 역학의 원래 버전 사이의 수학적 불일치는 표준 모델이 나중에 기반을 둔 양자 필드 이론을 일으켰습니다. 특수 상대성과 뉴턴 중력 사이의 수학적 불일치는 우리의 최첨단 중력 이론 인 일반 상대성 이론을 일으켰습니다. 이제 물리학 자들은 표준 모델과 일반 상대성 사이의 불일치가 남아 있습니다. 물론 우리는 양자 중력 이론의 형태로 그 해결책이 초기의 경우처럼 계시 될 것으로 기대합니다.
그러나 몇 년이지 나면서 나는 다른 방법으로 다른 연구자들에게도 문제를 해결하는 데 가까웠다 고 믿었습니다. 문자열 이론, 루프 양자 중력, 인과 적 동적 삼각 측량, 비대칭 적으로 안전한 중력, 인과 관계 :이러한 연구 프로그램의 실무자들은 수학의 힘만으로 자연을 해독 할 수 있다고 확신했습니다. 그들은 일부 사람들이 수학적 파생에서 실수를했기 때문에 다른 가정에서 시작했기 때문에 달랐습니다. 수학은 공제를 통해 수행하는 도구이지만, 수학적 결론은 가정보다 낫지 않습니다. 논리만으로는 물리적 이론을 결정하기에 충분하지 않습니다. 자연을 설명하는 유일한 방법은 실험 테스트입니다.
그러나 서로 다른 접근 방식을 다루는 사람들은 서로 이야기 한 경우 거의 없습니다. 그리고 만약 그들이 그렇게한다면, 그들은 결코 동의하지 않았습니다. 그리고 그들은 왜 그렇게했을까요? 실험적 증거가 없으면 동의 할 이유가 없습니다. 그래서 수학이 쌓여 있었고 수만 건의 기사가 작성되었으며 수백 개의 회의가 열렸습니다. 그러나 어떤 접근도 모호하지 않은 솔루션을 전달하지 못했습니다. 수십 년이 성공하지 못한 상태에서 의심은 양자 중력에 대한 검색을 어둡게하기 시작했습니다.
역설적으로, 90 년대에는 양자 중력에 대한 관찰 증거를 찾는 방법에 대해서도 아무도 아무도 없었습니다. 불가능한 것으로 생각되었습니다. 양자 중력의 효과는 매우 약합니다. 물리학 자들은 중력의 추정 입자를 감지 할 확률을 추정했으며, 그라비 톤 (graveitons)과 심지어 목성의 크기가 중성자 별 주위에 궤도에 넣는 크기가 얇아 질 가능성이 있음을 발견했다.
.그러나 그 중력을 직접 탐지하는 것이 양자 중력에 대한 증거를 찾는 유일한 방법입니까? 저를 보내지 못하게하는 질문이었습니다. 90 년대 후반, 나는 물리학 공부로 전환했습니다. 양자 중력에서 일하는 대부분의 물리학 자들은 여전히 그들의 수학이 결국 길을 보여줄 것이라고 믿습니다. 나는 그 신뢰가 없습니다. 그러나 나는 또한 양자 중력이 실험적으로 접근 할 수 없다는 비관론이 없습니다. 반대로, 나는 평생 동안 우리가 중력이 양자화되어 있음을 실험적으로 입증하는 데 성공하기를 조심스럽게 희망합니다.
양자 중력의 실험적 증거를 검색하는 사람들은 오늘날 독특한 연구 문제에 직면 해 있습니다. 우리는 이론이나 데이터가 없습니다! 그러나 일반적으로 인정되는 양자 중력 이론이 없더라도, 우리는 다양한 후보 이론에서 발견 된 양자 중력으로 기대되는 일반적인 속성을 조사 할 수 있습니다.
.예를 들어, 일부 이론은 시공간이 불연속임을 시사합니다. 그렇다면 결정에 결함이있는 것처럼 결함이있을 수 있으며, 이는 경로에서 빛을 노크하고 먼 퀘이사의 이미지를 흐리게 할 수 있습니다. 일부 이론은 시공간이 일종의 기질 또는 유체라고 제안합니다.이 경우 진공조차도 점도 (꿀과 같은 자체를 드래그) 또는 분산 (빛의 색상이 분리되는)과 같은 재료 특성을 가질 수 있습니다. 일부 이론은 일반적인 상대성에서 존중되는 대칭의 위반을 예측합니다. 다른 한편으로, 그 시공간의 양자 변동은 민감한 양자 시스템을 방해 할 수 있습니다. 우리는이 모든 것을 검색 할 수 있습니다.
당신은 이미 우리가 아직 아무것도 찾지 못했다는 것을 알고 있습니다. 그러나 Null 결과조차도 이론 개발을위한 귀중한 가이드입니다. 그들은 우리에게 시공간이 규칙적인 격자 일 수있는 일부 아이디어는 단순히 관찰과 호환되지 않는다고 가르쳐줍니다.
물론 실제 신호를 갖는 것이 더 흥미로울 것입니다. 최근 몇 년 동안, 우리는 그 목표를 달성 할 몇 가지 새로운 기회를 식별 할 수있었습니다. 원시 중력파를 가져 가십시오. 초기 우주에서 이러한 작은 시공간 변동은 우주 전자 레인지 배경 방사선에 뚜렷한 각인을 남겼을 것입니다. 2014 년에 BICEP2 협력은 인쇄물을 측정했다고 주장했으며, 그 주장이 잘못된 것으로 판명되었다고해서 파도가 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 그것은 그들이 찾기 위해 더 많은 노력을 기울일 것이라는 것을 의미합니다. 그리고 우리가 그것들을 감지한다면, 그들은 우리의 모델 건설을 안내 할 양자 특성이 있어야합니다. 애리조나 주립 대학의 로렌스 크라우스 (Lawrence Krauss)와 매사추세츠 (Massachusetts Institute)의 프랭크 윌크 제크 (Frank Wilczek)는 원시 중력파의 탐지가 중력이 양자화되어야 함을 보여줄 것이라고 주장했다. 그들의 주장은 지나치게 단순하지만, Vincent Vennin과 Eugenio Bianchi는 독립적으로 양자 변동을 비 quantum 변동과 구별 할 수있는 전자 레인지-백지 데이터에 대한 분석을 찾기 위해 독립적으로 시작했습니다.
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그런 다음 블랙홀이 있습니다. 블랙홀의 물리학은 양자 중력의 주요 연구 주제입니다. 오랫동안, 합의는 양자 중복 효과가 블랙홀의 중심에만 관련이 있고, 구멍의 경계를 표시하는 수평선 뒤에 숨겨져있어 외부에서는 비경쟁 할 수없는 수평선 뒤에 숨겨져 있다는 것이 합의였습니다. 그러나 지난 몇 년 동안이 합의는 흔들렸다. 예를 들어, 한 가지 이론적 주장은 블랙홀이“방화벽”으로 둘러싸여 있음을 시사합니다. 나와 다른 사람들 이이 주장에 의문을 제기했지만, 양자 중력 효과가 수평선에 나타날 수 있다고 생각하는 것은 유일한 이유는 아닙니다.
그렇다면 블랙홀을 관찰하면 양자 중력에 대한 정보를 공개 할 수 있습니다. Long Island University의 Michael Kavic은 블랙홀 주위의 궤도에서 중성자별로 구성된 이진 시스템을 검색 할 것을 제안했습니다. 중성자 별은 무선 파도를 방출하고 빔이 블랙 홀 지평을 긁으면 우리가 관찰 한 펄스는 구멍의 구조에 영향을받습니다. 또 다른 접근법에서, 주변 인스티튜트의 Niyesh Afshordi는 검은 색 합병에 의해 생성 된 중력파를 연구합니다. 새로 합병 된 블랙홀이 최종 형태로 정착함에 따라 양자 효과가 나타날 수 있습니다.
그러나 모든 것에 대한 가장 유망한 아이디어는 완전히 예상치 못한 방향에서 왔습니다. 중력장을 양자화 할 수 있다면, 시스템이 동시에 다른 상태에있는 중첩과 같은 특징적인 양자 거동을 나타냅니다.
양자 행동의 주요 예를 들어, 이중 슬릿 실험. 두 개의 슬릿이 절단 된 스크린에서 전자 빔을 발사하면 전자는 독특한 파도 패턴을 형성합니다. 그 패턴을 만들려면 각 전자는 두 슬릿을 동시에 통과해야합니다. 두 경로가 중지됩니다. 그러나 전자에는 질량이있어 중력장에 영향을 미칩니다. 전자가 양자 중첩에 있으면 그 장도 양자 중첩에 있어야합니다. 그것은 매우 이상한 생각입니다. 지구 전체에도 같은 일이 일어 났을 때, 나무에서 떨어진 사과는 두 개의 다른 중력장을 경험하고 한 번에 두 개의 다른 방향으로 떨어질 것입니다. 이것은 양자 역학 및 일반적인 상대성의 비 호환성을 나타냅니다. 필드의 중첩은 본질적으로 양자 중력입니다.
지금까지 단일 전자의 중력장이 너무 약해서 측정하기에는 아무도 그러한 효과를 보지 못했습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 다양한 실험 그룹이 훨씬 더 거대한 물체의 중첩을 만들었습니다. 예술의 현재 상태는 대략 나노 그램입니다. Markus Aspelmeyer와 비엔나에있는 그의 그룹은 밀리그램처럼 작은 덩어리의 중력을 측정하기 위해 야심 찬 프로젝트를 시작했습니다. 우리가 양자 물체의 중력장을 측정 할 수있을 때 그날은 그리 멀지 않습니다.
Queen 's University Belfast의 Mauro Paternostro와 그의 공동 작업자와 비슷한 접근 방식을 취한 그의 협력자들은 어떤 서명이 정량화되지 않은 중력장과 정량화 된 중력장을 구별 할 수 있는지 정확하게 고정 시키려고 노력하고 있습니다. 그들의 접근법은 전형적인 양자 특성 인 얽힘에 중점을 두며, 여기서 별개의 물체의 특성이 상관됩니다. 중력으로 상호 작용하는 두 가지 물체를 고려하십시오. 그들 사이의 상관 관계는 필드가 양자화되어 있는지 여부에 따라 다릅니다. 이러한 상관 관계를 측정하여 아이디어가 진행되면 현장의 양자화에 대해 무언가를 말할 수 있어야합니다.
과학은 경험적 검증이 필요하지만, 불행히도 자연의 신비를 풀기에 충분한 많은 고대 철학자들의 꿈은 불행히도 양자 중력을 연구하는 이론가들 사이에서 살았습니다. 결국, 정신 체조는 아무리 정교하더라도 항상 가정의 선택에서 미학적 또는 철학적 선호에 항상 내려집니다. 양자 중력에 관한 많은 문헌은 이러한 선호도를 수학 더미 아래에 매장하는 데 전념하고 있습니다.
Quantum Gravity에 대해 처음 들었던 지 20 년이 지난 후에도이 분야는 여전히 수학적 일관성에 의존하는 사람들에 의해 지배되고 있습니다. 그러나 나와 같이 양자 중력을 실험적으로 테스트 할 가능성을 연구하는 사람들은 더욱 많아졌습니다. 그리고 수학적 방법의 실패가 더 명백할수록, 앞으로 나아갈 길은 아무리 어려운 것이더라도 실험적 증거를 찾는 것입니다. 첫 번째 단계는 단순히 중력이 양자화되어 있음을 보여주는 것입니다. 그런 다음 우리는 모든 중력 현상을 조사하기 시작할 수있었습니다. 그렇게함으로써, 우리는 수학에서 물리에 이르기까지 양자 중력을 촉진 할 것입니다.
물리학이되는 것은 엔지니어링이 될 수 있습니다. 많은 동료들과 달리, 중력을 정량화하는 방법을 이해하는 것은 실용적으로 활용 될 것이라고 생각합니다. 이러한 이론은 공간과 시간뿐만 아니라 일반적으로 양자 시스템에 대한 우리의 이해를 향상시킬 것입니다. 긴 여행이 될 것입니다. 그러나 아리스토텔레스의 4 가지 요소에서 오늘날의 네 군대까지 2,000 년이 걸렸습니다. 우리는 장거리에 있습니다.
Sabine Hossenfelder는 프랑크푸르트 고급 연구 연구소의 연구원입니다. 그녀는 backreaction.blogspot.com에서 블로그를 작성하고 @skdh 로 트윗합니다
참조
1. Rothman, T. &Boughn, S., 중력을 감지 할 수 있습니까? 물리의 기초 36 , 1801-1825 (2006).
2. Krauss, L. &Wilczek, F., 우주론을 사용하여 중력의 양자화를 확립합니다. 물리적 검토 d 89 , 047501 (2014).
3. Martin, J. &Vennin, V. 우주 인플레이션의 양자 불화 :CMB 이방성이 양자 역학적 기원임을 보여줄 수 있습니까? 물리적 검토 d 93 , 023505 (2016).
4. Bianchi, E., Hackl, L., &Yokomizo, N. 원시 우주의 얽힘 시간. International Journal of Modern Physics D 24 , 1544006 (2015).
5. Hossenfelder, S. 블랙홀 진공을 분리합니다. 물리적 검토 d 91 , 044015 (2015).
6. Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., &Simonetti, J.H., 펄서 블랙 홀 바이너리로 양자 중력에 빛나는 빛. ARXIV :1607.00018 (2016).
7. Abedi, J., Dykaar, H., &Afshordi, N. Echoes the Abyss :블랙홀 지평에서 플랑크 스케일 구조에 대한 증거. ARXIV :1612.00266 (2016).
8. Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., &Aspelmeyer, M. 밀리그램 덩어리의 중력을 측정하기위한 미세 역학적 증명 실험. 고전 및 양자 중력 33 , 125031 (2016).
9. Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. 측정되지 않은 대상의 비 고전성을 드러냅니다. ARXIV :1607.01140 (2016).
