모든 것에 대한 통일된 이론은 물리학의 성배이지만 중력은 그것의 일부가 되기를 거부합니다. 이제 새로 제안된 이론은 아인슈타인의 중력 이론을 양자 역학과 통합하려고 시도하고 있으며, 더 중요한 것은 이를 실험적으로 테스트하는 방법의 개요를 제시합니다.
지난 한 세기 동안 양자물리학은 입자와 원자의 미시적 세계를 기술하는 놀라운 일을 해왔습니다. 우주의 4가지 기본 힘 중 세 가지, 즉 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력을 다루고 있습니다. 그러나 가장 뛰어난 사람들이 연구하고 있음에도 불구하고 과학자들은 네 번째 기둥인 중력을 도입할 수 없습니다.
현재까지 중력을 설명하는 가장 정확한 모델은 아인슈타인의 일반 상대성 이론입니다. 이론에서는 우리가 느끼고 관찰하는 중력이 시공간의 구조와 그 위에 정지해 있는 질량의 부작용이라고 말합니다. 볼링공이 위에 올려져 있는 트램폴린 매트처럼 생각해보세요. 공의 무게로 인해 매트가 움푹 패이게 됩니다. 우주에서 '매트'는 시공간이고, '볼링공'은 별과 같은 거대한 천체이다. 작은 공을 매트 위에 놓으면 우리가 중력을 경험하는 것과 비슷하게 홈을 따라 큰 공 쪽으로 굴러갑니다. 또는 테니스 공을 충분히 빠르게 굴리면 지구가 태양 주위를 공전하는 것과 비슷한 방식으로 움푹 들어간 곳 주위를 굴러갑니다.
지난 100년 동안 이 중력 이론은 기본적으로 과학자들이 테스트한 모든 테스트를 견뎌냈습니다. 실제로 2015년 중력파 검출 등 새로운 발견이 계속해서 예측을 확증하고 있다.
문제는 이 이야기가 다른 세 가지 근본적인 힘과 잘 어울리지 않는다는 것입니다. 각각의 기본 힘은 특정 힘을 전달하는 입자에 의해 매개되는 상호작용을 통해 양자역학을 사용하여 아주 간결하게 설명할 수 있습니다. 예를 들어, 광자는 전자기력의 운반체 입자입니다. 따라서 과학자들은 "양자 중력" 이론을 연구하고 가정된 운반 입자("중력자"라고 함)를 검색했지만 지금까지 모든 실험에서는 아무것도 발견하지 못했습니다.
시공간 자체도 "양자화"되거나 구성 요소로 분해되어야 합니다. 이것이 바로 현재 선두 주자로 간주되는 루프 양자 중력과 마찬가지로 악명 높은 끈 이론이 수행하는 작업입니다. 그러나 다시 말하지만, 어느 개념도 아인슈타인의 이론만큼 적합하지 않은 것 같습니다.
UCL(University College London)의 조나단 오펜하임(Jonathan Oppenheim) 교수는 새로운 연구에서 반대 견해를 취합니다. 그는 시공간이 결국 고전 물리학을 따르며 수정이 필요한 것은 양자 이론이라고 제안합니다. 그는 이를 "고전 중력에 대한 포스트양자 이론"이라고 부릅니다.
본질적으로 오펜하임은 고전 시스템과 양자 시스템을 결합하여 각 시스템을 보존했습니다. 예를 들어, 고전 시스템은 여전히 빛보다 빠른 신호로부터 보호되는 반면, 불확실성 원리는 양자 시스템에서 여전히 위반되지 않습니다. 아인슈타인은 모든 것이 결정적이라는 점을 좋아했습니다. 즉, 시스템에 대한 충분한 정보가 있으면 시스템의 현재 상태를 사용하여 과거나 미래의 특정 상태를 추론할 수 있습니다. 오펜하임의 하이브리드 이론은 그렇지 않습니다. 대신 특정 상태가 미래에 발생할 확률만 계산할 수 있습니다.
이론은 많은 물리학자들을 불쾌하게 할 수 있는 몇 가지 흥미로운 것들을 예측합니다. 예를 들어, 블랙홀은 양자 정보를 파괴할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 양자 이론에서는 불가능하다고 간주되며 일부에서는 전체 이론을 완전히 무시하기에 충분할 수 있습니다.
그러나 중요한 것은 고전 중력에 대한 포스트양자 이론을 테스트할 수 있는 방법이 있다는 것입니다. 시공간이 고전적이라면 무작위로 변동하여 시간이 지남에 따라 물체의 질량이 약간 변하게 됩니다. 팀은 국제 킬로그램 프로토타입과 같은 물체의 매우 정확한 측정을 통해 시공간이 고전적인지 양자적인지 여부를 밝힐 수 있는 실험을 제안합니다.
이번 연구의 공동 저자인 Zach Weller-Davies는 "양자 중력과 고전 중력 모두에서 시공간은 우리 주위에서 격렬하고 무작위로 변동해야 하지만 그 변동은 우리가 아직 감지할 수 없는 규모입니다. 그러나 시공간이 고전적이라면 변동은 특정 규모보다 커야 하며 이 규모는 다른 실험에 의해 결정될 수 있습니다. 이 실험에서 우리는 무거운 원자를 두 개의 서로 다른 위치에 얼마나 오랫동안 중첩시킬 수 있는지 테스트할 수 있습니다."라고 말했습니다.
새로운 이론은 즉시 널리 받아들여지지는 않을 것 같지만, 적어도 중력과 시공간에 대한 흥미롭고 새로운 사고 방식을 제공합니다. 이러한 실험은 곧 그것을 배제하여 역사의 광대한 기이한 과학적 아이디어의 무덤에 추가할 수도 있고, 그것이 아인슈타인의 이론만큼 근본적이라는 것을 증명할 수도 있습니다.
이 연구는 Physical Review X와 Nature Communications에 각각 두 편의 논문으로 게재되었습니다.