양자 중력
이산 값들을 사용한 중력에 대한 설명 / From Wikipedia, the free encyclopedia
양자 중력(Quantum gravity QG)은 양자역학의 원리에 따라 중력을 설명하고자 하는 이론물리학의 한 분야이다. 양자 중력은 중력이나 양자 효과들을 무시할 수 없는 환경,[1] 즉 블랙홀들이나 중성자별들[2][3] 및 대폭발(빅뱅) 직후 우주의 초기 단계들과 같이 중력이나 양자 효과들을 모두 무시할 수 없는 환경들을 다룬다.[4]
양자역학과 양자장론의 틀 안에서 자연의 네 가지 기본 상호작용들 중 세 가지, 즉 전자기력, 강력 및 약력이 설명되고 있으며, 중력만이 유일하게 충분히 수용되지 않은 상호작용으로 남아있다. 현재 중력에 대한 이해는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론에 기반을 두고 있으며, 이것은 특수 상대성이론을 통합하고 시간과 공간과 같은 개념에 대한 이해를 깊게 수정했다. 일반 상대성이론은 우아함과 정확성으로 높은 평가를 받고 있지만, 블랙홀들 내부의 중력 특이점들, 암흑 물질에 대한 임시 가정 그리고 암흑 에너지와 우주 상수와의 관계는 현재 중력에 관한 미해결 미스터리들 중 하나이다;[5] 이 모든 것들은 다른 규모들에서 일반 상대성이론의 붕괴를 예고하고 또한 양자 영역으로 들어가는 중력 이론의 필요성을 강조하고 있다. 블랙홀의 중심 근처와 같이 플랑크 길이에 가까운 거리들에서는 시공간의 양자 요동들이 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.[6] 은하계 및 우주론적 규모들에서 일반 상대성이론의 붕괴도 또한 더 탄탄한 이론의 필요성을 지적한다. 마지막으로 진공 에너지(Vacuum energy)에 대한 예측 값과 관측 값 사이의 불일치들(이것은, 고려 사항에 따라, 60 또는 120 자릿수의 차이가 날 수 있다)[7]는 양자 중력 이론의 필요성을 강조한다.
양자 중력 분야는 활발히 발전하고 있으며, 또한 이론가들은 양자 중력 문제에 대한 다양한 접근법들을 모색하고 있으며, 가장 인기 있는 것은 M이론과 루프 양자중력이다.[8] 이러한 모든 접근법들은 중력장의 양자 거동을 설명하는 것을 목표로 하며, 이것들은 단일 수학적 프레임워크속으로 모든 기본 상호작용을 통합하는 것을 반드시 포함하지는 않는다. 그렇지만, 끈 이론과 같은 양자 중력에 대한 많은 접근 방식들은 모든 근본적인 힘을 설명하는 한 프레임워크를 개발하려고 시도한다. 이러한 이론은 종종 모든 것의 이론이라고 불린다. 루프 양자중력과 같은 일부 접근 방식은 이러한 시도를 하지 않는다; 대신에 중력장을 다른 힘과 분리된 상태로 양자화하려는 노력을 기울인다. 잘 알려지지 않았지만 그다지 중요하지 않은 다른 이론으로는 인과 동적 삼각화(causal dynamical triangulation), 비가환 기하학 및 트위스터 이론 등이 있다.[9]
양자 중력 이론을 공식화할 때 어려운 점들 중 하나는 양자 중력 효과의 직접 관찰이 현재의 고에너지 입자 가속기보다 훨씬 작은 규모인 약 10<suo>-35미터의 플랑크 규모에 가까운 길이 척도에서만 나타나는 것으로 생각되기 때문에 훨씬 더 높은 에너지로만 접근이 가능하다는 것이다. 따라서 물리학자들은 제안된 경쟁 이론들을 구분할 수 있는 실험 데이터가 부족하다.[n.b. 1][n.b. 2]
양자 중력 이론들을 위한 한 테스트 도구로서 사고 실험 접근법이 제안되었다.[10][11] 양자 중력 분야에는 몇 가지 미해결 질문이 있는데, 예를 들어 기본 입자의 스핀이 어떻게 중력을 명시하는지 알려지지 않았으며 또한 사고 실험은 실험실 실험이나 물리적 관찰이 없는 경우에도[12] 이러한 질문들에 대한 가능한 해결책을 탐색 할 수 있는 어떤 경로를 제공할 수 있다.
21세기 초, 양자 중력을 테스트하는 간접적인 접근 방식이 향후 수십 년 동안 실현 가능할 수 있음을 시사하는 새로운 실험 설계와 기술이 등장했다.[13][14][15][16] 이 연구 분야는 현상학적 양자중력(phenomenological quantum gravity)이라고 불린다.