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상대성 이론과 양자 역학을 연결할 수 있는 공식

웜홀이라는 특이한 시공간 터널 현상으로 이 두 이론이 연결될 수 있을까
ㅍㅍㅅㅅ 작성일자2017.09.14. | 1,287  view

출처: Mopic/Shutterstock.com

오늘날 물리학계에 남아있는 가장 큰 문제는 우주를 설명하는 최고의 두 이론, 곧 상대성 이론 과 양자 역학이 각각 자신의 영역에서는 매우 정확하지만 이들을 통합하는 것은 어렵습니다. 


하지만 스탠포드의 한 이론물리학자가 제안한 공식은 웜홀이라는 특이한 시공간 터널 현상으로 이 두 이론이 연결될 수 있음을 보여줍니다.


그 식은 놀라울정도로 단순합니다.
바로, ER=EPR 이라는 식입니다.

위 수식의 양변은 수치가 아닌 이론물리학자들의 이름입니다. 좌측의 ER은 아인슈타인(E)과 나단 로젠(R)을 의미하며, 이는 그들이 1935년 발표한, 학계에서는 아인슈타인-로젠 다리라 불리는, 웜홀 현상을 의미합니다.


우측의 EPR은 아인슈타인(E), 보리스 포돌스키(P), 나단 로젠(R)을 의미하며 역시 1935년 발표한 양자 얽힘 현상의 특별한 경우를 가리킵니다.


2013년 스탠포드의 레너드 서스킨드와 프린스턴 고등과학원의 후안 말다5ㅀㄹ 세나는 이 두 현상이 사실상 같은 것일 수 있음을 의미하는 논문을 발표했습니다.


이는 지금까지 누구도, 심지어 아인슈타인 본인조차도 생각하지 못했던 가설입니다. 서스킨드는 최근 이 가설이 사실이라면 그 의미가 무엇인지에 대한 논의를 시작했습니다.


그 전에 일단 이 수식을 자세히 살펴봅시다. 첫 항이 가리키는 것은 아인슈타인의 일반상대론에 의하면 우주의 두 공간을 터널처럼 연결하는 웜홀이 존재할 수 있다는 사실입니다.


이론적으로는, 웜홀의 한 쪽으로 빨려들어간 물질은 설사 반대편 웜홀이 우주의 다른 끝에 위치해 있다 하더라도 거의 동시에 그 반대편 웜홀에 나타날 수 있습니다.


특히, 웜홀은 그저 우주의 두 장소만을 연결하는 것이 아닙니다. 웜홀의 두 끝은 우주의 다른 시간 또한 연결할 수 있습니다. 칼 세이건은 이를 “당신은 어떤 다른 공간, 어떤 다른 시간에 나타날 수 있습니다”라 말했습니다.


한편, 양자 얽힘은 두 입자가 매우 긴밀하게 연결되며 사실상 그 존재를 ‘공유’하는 관계를 말합니다. 이는 한 입자에게 일어나는 일이 곧 바로 다른 입자에게, 설사 그 다른 입자가 수십 광년이 떨어져 있더라도 즉시 영향을 미친다는 것을 의미합니다.


 

자 이제 이 두 가지 현상을 연결해봅시다.


서스킨드는 새로운 논문에서 가상의 앨리스와 밥이 양자적으로 얽힌 입자들 여러 쌍을 한 쪽은 앨리스가 한 쪽은 밥이 나눠가진 후, 가상의 초음속 비행기를 타고 우주의 반대쪽으로 날아간다고 가정합니다.


이들은 충분히 멀리 떨어진 후, 각각 자신이 가진 입자를 매우 큰 힘으로 뭉치게 만들어 각각의 블랙홀로 만듭니다.

서스킨드는 이 경우 이 우주 양 끝의 두 블랙홀은 얽히게 되며, 그 사이는 거대한 웜홀로 연결된것고 같다고 주장합니다. 과학 편집자인 톰 지그프리드가 사이언스 뉴스에서 이렇게 말했습니다.


“만약 ER=EPR 이 맞다면, 이 두 블랙홀을 연결하는 웜홀은 양자 얽힘 현상인 동시에 웜홀의 기하학으로도 기술될 수 있습니다.”

“더 놀라운 사실은 어쩌면 서로 양자적으로 얽힌 입자들 하나하나가 일종의 양자 웜홀로 연결되어 있을 수 있다는 사실입니다.”

“웜홀은 시공간이 일그러진 결과이며 아인슈타인의 중력 방정식으로 기술됩니다. 이 입자들은 또한 양자 얽힘으로 표현될 수 있기 때문에 이 현상은 중력과 양자역학을 연결하는 다리가 될 수 있습니다.”

서스킨드의 주장은 참일까요? 그는 자신의 주장을 사람들이 자유롭게 반박할 수 있도록 물리학자들이 논문을 출판에 앞서 미리 올리는 아카이브(arXiv.org)에 올렸습니다.


한편, 지그프리드는 이 분야를 연구하는 이가 서스킨드만은 아니라고 말합니다. 2016년 초, 칼텍의 물리학자들은 양자 상태의 변화가 시공간 기하학의 곡률과 어떻게 연결되는지를 보이는 가설을 발표한 바 있습니다.


이들 중 한 명인 션 M. 캐럴은 자신들의 가설을 설명하는 블로그 글을 통해 이 경우 에너지와 시공간 곡률의 관계에 대해 아인슈타인의 일반 상대론으로 가장 자연스러운 설명을 할 수 있다고 말합니다.


“우리 주장은 가장 극적인 형태일때, 에너지와 운동량에 의한 시공간의 곡률인 중력이 양자역학을 통해 어렵지 않게, 아니 거의 자동으로 유도되며, 적어도 아주 자연스럽게 이를 유도할 수 있다는 것입니다.”

ER=EPR 공식이 정말 참인지를 알기 위해서는 시간이 더 필요할 것입니다. 하지만 적어도 이 주장은 흥미로운 생각이며 서스킨드는 적어도 어떤 진실이 여기에 숨어있다고 생각합니다.


“나는 ER=EPR이 만약 사실이라면, 이것이 매우 큰 발견이라는 점이 명백하게 보입니다. 또한 양자역학의 기초와 해석에도 영향을 미칠 것입니다.”

그는 또 이렇게 덧붙였습니다.


“양자역학과 중력이 우리가 (적어도 내가) 지금까지 생각했던 것보다 훨씬 더 긴밀한 관계를 가지는 것입니다.”

원문: 뉴스페퍼민트


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