일상 생활에 대해 아무 말도 할 때마다 규모가 암시됩니다. 시도해보십시오. “너무 바쁘다”는 가정 된 시간 규모로 만 작동합니다. 이 세기 나 나노초가 아닙니다. "세금은 번거롭다"는 특정 소득 범위에 대해서만 의미가 있습니다.
분명히 같은 제한은 과학에서 사실이 아닙니다. 결국, 과학적 방법이 도입 된 후 수세기 동안, 기존의 지혜는 우리가 미리 이것을 경험적으로 확신 할 수 없더라도 모든 척도에 절대적으로 진실한 이론이 있다고 주장했다. 예를 들어, 뉴턴의 보편적 인력 법칙은 결국 보편적이었습니다! 그것은 낙하 사과와 떨어지는 행성 모두에 적용되었으며 태양과 그 위에서 이루어진 모든 중요한 관찰을 설명했습니다.
상대성의 출현, 특히 일반적인 상대성 이론으로, 뉴턴의 중력 법칙은 단지 더 근본적인 이론의 근사치라는 것이 분명해졌습니다. 그러나 더 근본적인 이론 인 일반 상대성은 수학적으로 아름답기 때문에 질량과 에너지가있을 때 공간과 시간의 행동을 완벽하고 완전히 체계화한다고 가정하는 것이 합리적이었습니다.
.양자 역학의 출현은 모든 것을 바 꾸었습니다. 양자 역학이 상대성과 결합 될 때, 실제로는 예상치 못한 사실로, 물질과 에너지를 지배하는 물리 법칙의 상세한 특성은 실제로 당신이 그들을 측정하는 물리적 척도에 달려 있습니다. 이것은 아마도 20 세기에 가장 큰 과학적 혁명으로 이어 졌을 것입니다. 우리는 둘 다 경험적 세계와 접촉하고 절대적이고 항상 사실이라는 이론을 알지 못합니다. (나는이 이론가들의 희망에도 불구 하고이 변화를 조만간 구상하지 못한다.) 그럼에도 불구하고, 이론적 물리학 자들은 이런 종류의 이론을 정확히 쫓는 데 상당한 에너지를 바쳤다. 그래서 무슨 일이 일어나고 있습니까? 보편적 이론은 합법적 인 목표입니까, 아니면 과학적 진실은 항상 규모에 따라 다를 것인가?
양자 역학과 상대성의 조합은 즉각적인 스케일링 문제를 의미합니다. 양자 역학의 중심에 위치한 Heisenberg의 유명한 불확실성 원리는 작은 규모에서 짧은 시간 동안 기본 입자의 거동을 완전히 제한하는 것이 불가능하다는 것을 암시합니다. 에너지와 순간에는 절대로 감소 할 수없는 고유 한 불확실성이 있습니다. 이 사실이 특수 상대성과 결합 될 때, 결론은 실제로 소량으로 존재하는 입자 수를 짧은 시간 동안 제한 할 수 없다는 것입니다. 소위 "가상 입자"는 타임 스케일의 진공 상태에서 튀어 나오거나 나올 수 있으므로 짧게 입지 않아도 직접 존재를 측정 할 수 없습니다.
이것의 눈에 띄는 효과 중 하나는 우리가 전자 사이의 힘을 측정 할 때 전자에 대한 실제 측정 전하 (전기 힘의 강한지를 결정하는 것)은 어떤 규모를 측정하는지에 따라 다르다는 것입니다. 전자에 가까워 질수록 전자를 둘러싼 가상 입자의 "구름"내부에서 더 깊이 침투하고 있습니다. 양의 가상 입자가 전자에 끌리기 때문에 구름에 더 깊이 침투하면, 양의 구름이 적고 전자의 음전하가 더 많습니다.
그런 다음 두 입자 사이의 힘을 계산하기 시작하면 힘을 측정하는 동안 빈 공간에서 튀어 나올 수있는 모든 가상 입자의 효과를 포함해야합니다. 여기에는 임의로 많은 양의 질량과 에너지가있는 입자가 포함되며, 임의로 소량의 시간 동안 나타납니다. 그러한 효과를 포함 시키면 계산 된 힘은 무한합니다.
Richard Feynman은 다양한 모호한 무한도를 추출한 후 유한 잔류 힘을 지속적으로 계산하는 방법에 도달 한 노벨상을 공유했습니다. 결과적으로, 우리는 이제 기본 원칙에서 전자의 자기 모멘트와 같은 수량에서 10 개의 중요한 수치로 계산할 수 있습니다.
그러나 Feynman은 궁극적으로 자신이 성취 한 것에 실망했습니다. 1965 년 노벨 강의에서 분명한 것은“재정지 이론은 단순히 깔개 아래의 전기 역학의 차이의 어려움을 휩쓸는 방법이라고 생각합니다.” 그는 합리적인 완전 이론이 처음에는 무한을 일으킬 수 없다고 생각했으며, 그와 다른 사람들이 개발 한 수학적 속임수는 궁극적으로 일종의 kludge라고 생각했습니다.
.그러나 이제 우리는 사물을 다르게 이해합니다. Feynman의 우려는 어떤 의미에서 잘못 배치되었습니다. 문제는 이론에 관한 것이 아니라 자연에 대한 올바른 설명을 제공하는 척도를 넘어 이론을 밀기 위해 노력하는 것입니다.
임의적으로 큰 질량과 에너지를 가진 가상 입자에 의해 생성 된 무한도가 물리적으로 관련이 없다는 이유가 있습니다. 이론이 완전하다는 잘못된 추정에 기초합니다. 또는 다시 말하면, 이론은 모든 척도의 물리학, 심지어 임의로 작은 규모의 거리와 시간을 묘사합니다. 그러나 우리의 이론이 완전해질 것으로 기대한다면, 그것은 우리가 무엇이든 이론을 가질 수 있기 전에 , 우리는 먼저 모든 것이 이론을 가져야합니다. - 우리가 이미 발견 한 모든 기본 입자의 영향과 아직 발견하지 못한 모든 입자의 효과가 포함 된 이론! 그것은 기껏해야 비현실적이며 최악의 경우 불가능합니다.
따라서, 이론은 우리가 실험실에서 측정 할 수있는 규모에서 훨씬 더 작은 거리 척도 (또는 훨씬 더 큰 규모)에서 가능한 새로운 물리학의 영향에 무감각해야합니다. 이것은 일시적인 문제의 실질적인 해결 방법이 아니라 자연에 대한 끊임없는 설명으로 나아갈 때 우리가 사라질 것으로 기대합니다. 우리의 경험적 지식은 항상 부분적으로 불완전 할 가능성이 높기 때문에, 우리가 조사 할 수있는 우주의 일부를 설명하기 위해 노력하는 이론은 실용적으로 우리의 현재 도달 범위를 넘어서는 규모로 가능한 새로운 물리학에 민감하지 않을 것입니다. 그것은 우리의 인식론의 특징이며, 양자 역학과 상대성이 모두가 중요 해지는 극한의 척도를 탐구하기 전에 완전히 감사하지 않은 것입니다.
이것은 우리가 본질적으로 가지고있는 최고의 물리적 이론에도 적용됩니다 :전자와 빛 사이의 양자 상호 작용을 설명하는 양자 전기 역학. 우리가 Feynman의 리드에 따라 이론이 생산하는 무한대를 불순하게 버릴 수있는 이유는 그들이 인공적이기 때문입니다. 이론은 이론을 더 이상 유효하지 않은 영역에 외삽하는 데 해당합니다. Feynman은 이러한 무한대를 중심으로 조종하는 데있어 자신의 성공에 실망한 것에 잘못이었다. 그것은 당시 조사 될 수 있었던 것보다 훨씬 작은 규모로 새로운 물리학을 이해하지 못할 수 없었던 최선이다. 반세기 후 오늘날에도 양자 전기 역학이 더 이상 올바른 설명 자체가 여전히 작은 규모로 분해 될 것으로 예상되는 이론
물리적 이론의 규모 이야기에 대한 대안적인 이야기가 있습니다. 이론을 자신의 개별 영역으로 합법적으로 분리하는 대신, 비효율적이지만, 스케일링 주장은 이론들 사이의 숨겨진 연결을 드러 냈으며, 원래 이론을 포괄하고 광범위한 규모로 적용되는 새로운 통합 이론으로가는 길을 가리 켰습니다.
.예를 들어, 지난 몇 년 동안 Higgs 입자의 발견과 관련된 모든 후프라는 약한 상호 작용이라고 불리는 다른 힘으로 양자 전기 역학을 통합하는 이론에서 마지막으로 누락 된 링크 였기 때문입니다. 이들은 본질적으로 알려진 4 개의 힘 중 두 명이며 표면에서는 매우 다르게 보입니다. 그러나 우리는 이제 매우 작은 규모와 매우 높은 에너지에서 두 힘이 전기 로크 힘이라고 불리는 동일한 근본적인 힘의 다른 표현으로 이해 될 수 있음을 이해합니다.
.규모는 또한 물리학 자들이 자연의 기본 힘 중 하나 인 강력한 힘을 더 넓은 이론으로 통합하도록 동기를 부여했습니다. 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크에 작용하는 강력한 힘은 1973 년까지 이해에 저항했습니다. 그해에 3 명의 이론가 David Gross, Frank Wilczek 및 David Politzer는 절대적으로 예상치 못한 놀라운 것을 보여주었습니다. 그들은 양자 선기 역학 (양자 전기 역학과 비슷한 양자 크로 역학)이라고 불리는이 힘을 설명하는 후보 이론이 그들이“점근 적 자유”라고 불리는 속성을 뿌렸다는 것을 보여 주었다.
.점근 적 자유는 쿼크가 더 가까워지면서 쿼크 사이의 강한 힘이 약해집니다. 이것은“스케일링”으로 알려진 실험적 현상을 설명 할뿐만 아니라, 양성자 내의 쿼크가 마치 고 에너지와 작은 거리에서 독립적이지 않은 상호 작용 입자 인 것처럼 보이는 것처럼 보였지만, 왜 자유 쿼크가 본질적으로 관찰되지 않는지 설명 할 가능성을 제공했습니다. 작은 거리에서 강한 힘이 약해지면, 자유 쿼크가 파트너를 피할 수 있도록 먼 거리에서 충분히 강할 수 있습니다.
작은 거리에서 강한 힘이 약해지는데, 약한 힘과 연합하는 전자기가 작은 거리에서 강해지고, 1970 년대에 이론가들은 이론가들이 충분히 작은 규모, 아마도 15 개의 크기가 양성자의 크기 (강하고 약하고, 전자기)의 크기보다 작은 규모보다 작은 규모보다 작은 이론으로 알려진 이론으로 알려 졌다고 제안했다. 지난 40 년 동안 우리는 이것에 대한 직접적인 증거를 찾고 있습니다. 사실 큰 Hadron Collider는 이제 세 힘의 스케일링에 필요한 것으로 보이는 새로운 기본 입자 세트를 찾고 있습니다. 그러나 간접적 인 증거가 있지만 직접 흡연 총은 아직 발견되지 않았습니다.
당연히, 4 명의 알려진 세력 중 3 명을 통합하려는 노력은 네 번째 힘 인 중력을 혼합에 통합시키기위한 추가 노력으로 이어졌습니다. 이를 위해, 중력 자체는 효과적인 이론 일 뿐이며 충분히 작은 규모로 다른 힘과 합병되지만 본질적으로 우리가 관찰하지 못하는 추가 공간 차원이있는 경우에만 제안되었습니다. 종종 슈퍼 스트링 이론이라고 불리는이 이론은 1980 년대와 1990 년대에 이론가들 사이에서 많은 흥분을 일으켰지 만 현재까지 우리가 살고있는 우주를 실제로 묘사한다는 증거는 없습니다.
.그렇다면 독특하고 새로운 기능이 있습니다. 슈퍼 스트링 이론은 궁극적으로 무한을 전혀 생성 할 수 없습니다. 따라서 아무리 작더라도 모든 거리 척도에서 적용 할 가능성이 있습니다. 이런 이유로 그것은 일부 사람들에게“모든 것의 이론”으로 알려져있다. 그러나 실제로, 이론의 모든 이국이 실제로 보이는 척도는 예측 가능한 실험 측정에 관한 한 본질적으로 육체적으로 관련이 없을 정도로 작을 때.
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물리적 현실에 대한 우리의 이해의 규모 의존성에 대한 인식은 시간이 지남에 따라이 한계가 사라지는 제안 된 이론 (스트링 이론)으로 이어졌습니다. 그 노력이 이론적 물리학 자들이 잘못 배치 된 대담함을 반영하는 것은 끊임없는 척도에서 현실을 이해하는 데 성공한 후 성공에 익숙한가?
우리는 그 질문에 대한 답을 알지 못하지만 최소한 회의적이어야합니다. 직접적인 실험 또는 관찰 결과에 근거하지 않고 현악 이론과 관련된 웅장한 외삽 법이 성공적인 자연 모델을 제공 한 사례는 없습니다. 또한 현악 이론에 대해 더 많이 배울수록 더 복잡해 보이며 보편주의에 대한 많은 초기 기대는 낙관적 일 수 있습니다.
Feynman이 한때 추측했듯이 자연이 많은 층이있는 양파와 같을 가능성은 적어도 가능합니다. 우리가 각 층을 껍질을 벗기면서 우리는 아름다운 기존 이론이 새롭고 더 큰 프레임 워크에 포함된다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 항상 새로운 물리학이있을 것이며, 수정없이 모든 규모의 공간과 시간에 적용되는 최종 보편적 이론은 결코 없을 것입니다.
현실로가는 진짜 길은 어느 길이 도로 가고 있습니다. 우리가 발견의 올바른 길을 알고 있다면, 그것은 발견되지 않을 것입니다. 아마도 내 자신의 편견은 물리학 자들을위한 지속적인 직업 안보에 대한 잘못된 희망에 기초 할 것입니다! 그러나 나는 또한 해결할 미스터리가 영원히있을 가능성을 좋아합니다. 미스터리가없는 삶은 어떤 규모로든 지루해 질 수 있기 때문에.
Lawrence M. Krauss는 애리조나 주립 대학의 지구 및 우주 탐사 학교의 Origins Project 이사 및 재단 교수, 이론 물리학 자이자 우주 학자입니다. 그는 또한 를 포함한 베스트셀러 책의 저자이기도합니다 아무것도없는 우주 및 Star Trek의 물리학
