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상대성 이론 Theory of Relativity |
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1. 개요
루프 양자 중력(loop quantum gravity)은 양자 중력의 고전적인 방법인 '정준 양자 중력'에서 파생된 이론으로서, 중력의 양자적 속성을 설명하려는 이론 중 하나이다.일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려고 시도할 경우 확률이 무한대로 발산하게 된다. 학자들은 이를 해결하기 위해 초끈 이론을 비롯한 '소립자는 입자가 아니라 끈이다.'라는 접근과 루프 양자 중력을 비롯한 '시공간은 불연속적이다.'라는 접근을 내놓았다. 루프 양자 중력 이론에서는 초끈이론과 다른 접근 방식을 취하고 있는데, 플랑크 규모(10-35 m)를 시공간의 최소 단위로 설정하고, 점과 선의 기하를 통하여 '시공간'을 기술하고 있다. 이 이론은 스핀 네트워크라고 하며, 격자와 격자점을 형상한다.
2. 역사
양자역학과 상대성 이론을 통합하려는 시도는 양자역학의 초창기부터 등장했다. 슈뢰딩거는 1926년 '상대론적 효과'를 고려하지 않은 슈뢰딩거 방정식을 발표했다. 슈뢰딩거 방정식을 발표하기 전인 1925년, 슈뢰딩거는 스핀이 0인 보손을 대상으로 한 상대론적 양자역학 방정식인 클라인-고든 방정식을 고안한 적이 있다. 하지만 그가 만든 방정식이 음의 에너지를 허용한다는 문제점과 전자나 양성자의 행동을 설명할 수 없다는 한계를 인식하고 그것을 스스로 폐기했다. 그 문제를 해결한 것이 디랙 방정식이다. 디랙은 1928년 스핀이 1/2인 페르미온에 대해 상대론적 양자역학을 개발해 내었다. 따라서 전자나 양성자 같은 페르미온 입자를 상대론적인 양자역학으로 기술 할 수 있게 되었다. 하지만 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하는 일 즉, 휘어진 시공간에서의 양자역학은 아직 요원한 일이기만 하였다.아인슈타인의 중력학 동료인 존 아치볼드 휠러는 해밀턴 역학을 확장시킨 디랙의 연구에서 힌트를 얻어서 중력을 양자화하는 돌파구를 찾아냈다. 1967년 브라이스 디윗과 휠러는 휠러-디윗 방정식을 고안해 냈는데, 이것이 바로 '정준 양자 중력'이라 불리는 '형식적인 중력의 양자화 과정'이다. 그러나 중력의 양자화에도 문제점이 있었는데, 이번에도 '시간'이 문제였으며, 일반 상대론에서 '재규격화'가 되지 않는다는 점이다. 따라서 정준 양자화는 '실패'한 것이다. 재규격화는 양자장론에서 나온 개념인데, 양자장론은 1947-1949년 슈윙거, 토모나가, 파인만 등이 게이지 불변성을 만족할 때에만 양자장론이 물리적으로 의미가 있음을 깨닫고 게이지 불변성에 기반하여 만들어낸 이론이다. 게이지 불변성은 재규격화 논의에 있어 핵심적이지만 휠러-디윗 방정식이 어떤 방식으로 게이지 불변성을 만족하는지 불분명하다는 것이 재규격화에 실패한 원인이었다.
한편 중력연구에 힘입어 호킹과 펜로즈의 특이점 정리, 가모프의 빅뱅이론이 등장했다. 이들은 표준적인 일반상대성이론과 양자역학으로 설명이 불가능했기에 양자중력이론의 필요성은 높아져만 갔다.
휠러와 디윗의 연구로부터, 약 20년 후인 1990년경, 리 스몰린과 카를로 로벨리 같은 학자들이 스핀 네트워크라는 기법을 이용하여 중력을 양자화 할 수 있음을 알아내고 이를 사용한 '루프 양자 중력' 이론을 만들어낸다. 물리학자들은 루프 양자 중력을 가지고 여러 가지 문제를 해결하고 있다.
3. 초끈 이론과의 비교
초끈 이론은 검증이 사실상 불가능할 정도로 작은 규모를 다루기 때문에 명성 못지않게 까는 사람이 많은 편이다.5개의 끈 이론을 융합하여 새로운 형태의 초끈 이론인 M-이론을 제안한 에드워드 위튼[2]조차도 "M 이론에 있는 M이 'Murky'(전망이 나쁜)의 약자라고요? 예, 사실입니다. 그 이야기도 미리 해둘 걸 그랬네요."라고 농담을 했으며, 브라이언 그린 또한 저서인 "멀티 유니버스"에서 "전망이 좋지 않은 초끈이론."이라며 인정했다.
루프 양자 중력의 처지도 암울하지만,
특이점을 다룰 때에는 초끈 이론보다 효과적이라는 주장이 있다. 물리학자 아쉬테카르 등의 주장에 따르면, 우주론에 루프 양자 중력 이론을 적용할 시 빅뱅, 빅 크런치, 빅 립 특이점 문제가 자연스럽게 해결된다.
4. 관련 문서
[1]
농담처럼 치부했지만... 타임머신 연구에 쓰인다는 것은 사실이다. 뉴턴 하이라이트 '시간 여행과 상대성 이론'편에서는 '
시간여행'에 대한 이야기를 다루고 있으며, 책의 중반부에 저명한 물리학자인
킵 손의 인터뷰가 나온다. 시간여행의 석학인 손은 타임머신(
웜홀)을 타고 이동할 때 생기는 문제점을 해결하기 위해서 양자 중력이 필요하다고 이야기한다. 이는 스티븐 호킹과 함께 궁리하여 나온 결과. 손과 호킹은 시간 여행을 비관적으로 여기고 있지만, 은근히 기대하고 있다.
[2]
에드워드 위튼은 아인슈타인의 뒤를 잇는 천재라고 불리고 있다.