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시간의 문제

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목차

1. 개요

시간의 문제는 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합하려는 시도에서 발생하는 근본적인 난제이다. 고전역학에서 시간은 외부적이고 절대적인 매개변수로 취급되지만, 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론에서는 시간의 개념이 수정된다. 일반 상대성 이론에서는 시간이 일반 좌표로 취급되며, 우주적 규모에서는 외부 시간이 없는 닫힌 우주를 보여준다. 이러한 서로 다른 시간의 역할은 양립할 수 없는 문제로 이어진다. 시간 문제의 핵심은 시간이 양자 확률과 어떻게 관련되는지, 근본적인 것인지 아니면 과정의 결과인지, 근사적인지 등과 같은 질문에 대한 답을 찾는 것이다. 시간 문제에 대한 해결책으로 얽힘, 일관된 이산화, 축소된 페이즈 공간 양자화, 규모 불변성, 열 시간 가설 등 다양한 제안이 제시되었다.

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시간의 문제
문제 개요
유형개념적 문제
분야물리학
양자 중력
관련 이론일반 상대성이론
양자역학
상세 내용
내용일반 상대성이론과 양자역학을 결합하려는 시도에서 발생하는 심오한 개념적 문제
주요 측면시간의 본질
배경 독립성
측정 문제
관측자와의 관계
해결 노력다양한 이론적 접근 방식 모색 (루프 양자 중력, 끈 이론 등)
새로운 수학적 도구 및 개념 개발
주요 난제
시간의 역할 불일치일반 상대성이론: 시간은 역동적인 시공간의 일부
양자역학: 시간은 절대적이고 외부적인 매개변수
배경 독립성 문제일반 상대성이론: 시공간은 고정된 배경이 아니라 역동적으로 진화
양자역학: 양자장은 고정된 시공간 배경에서 정의
관측 문제일반 상대성이론: 관측자는 시공간에 영향
양자역학: 관측은 양자 시스템의 상태를 변화
관련 연구 분야
연구 분야양자 우주론
루프 양자 중력
끈 이론
참고 문헌
참고 문헌Canonical Quantum Gravity and the Problem of Time
Quantum Gravity's Time Problem
Newsflash: Time May Not Exist

2. 양자역학과 일반 상대성 이론에서의 시간

고전역학에서 시간은 물리 계 자체의 외부에 있는 고전적인 배경 매개변수로 취급된다는 점에서 특별한 지위를 갖는다. 이러한 특별한 역할은 양자 역학의 표준적 형식화에서 볼 수 있으며, 코펜하겐 해석과 같이 양자 이론의 개념적 토대와도 얽혀 있다.[4]

특수 상대성이론은 시간 개념을 수정했다. 그러나 고정된 로런츠 관찰자의 관점에서는 시간은 구별되고 절대적이며 외부적이며 전역적인 매개변수로 남아 있다.

일반 상대성 이론에서 시간은 더 이상 고유한 배경 매개변수가 아니라 일반 좌표이다. 시간 문제와 관련된 많은 문제들이 일반 상대성 이론 내에 존재하며, 우주적 규모에서 일반 상대성 이론은 외부 시간이 없는 닫힌 우주를 보여준다. 이 두 가지 매우 다른 시간의 역할은 양립할 수 없다.[4]

2. 1. 양자역학에서의 시간

고전역학에서 시간은 물리 계 자체의 외부에 있는 고전적인 배경 매개변수로 취급된다. 이러한 특별한 역할은 양자 역학의 표준적 형식화에서 볼 수 있는데, 시간은 잘 정의된 값을 가진 선험적으로 주어진 고전적 배경의 일부로 간주된다.[4] 코펜하겐 해석은 시간에 대한 고전적 취급과 깊이 얽혀 있으며, 양자 이론의 개념적 토대와도 얽혀 있다.

특수 상대성이론은 시간 개념을 수정했다. 그러나 고정된 로런츠 관찰자의 관점에서 보면 시간은 여전히 구별되고 절대적이며 외부적이며 전역적인 매개변수로 남아 있다.

2. 2. 일반 상대성 이론에서의 시간

일반 상대성이론에서 시간은 더 이상 고유한 배경 매개변수가 아니라 일반 좌표이다. 일반 상대성 이론의 장 방정식은 시간에 의해 매개변수화되지 않고 시공간의 관점에서 공식화된다.[4] 존 아치볼드 휠러는 "시공간은 물질에게 어떻게 움직여야 하는지 말하고, 물질은 시공간에게 어떻게 구부러져야 하는지 말한다."라고 표현했다.[36] 시공간은 절대적인 배경이 아니라 역학적이며, 중력은 시공간 기하학의 표현이다.[4]

3. 시간 문제 (The Frozen Formalism Problem)

비상대론적 양자역학 방정식은 시간 진화를 포함한다. 일반 상대성 이론에서 에너지 연산자는 휠러-디윗 방정식의 제약 조건이 된다. 우주적 보편 파동 함수는 동결되어 진화하지 않는데, 이는 작은 규모에서 시간 개념을 포함한 물리 법칙이 적용되는 것과 상반된다.[4]

4. 시간 문제에 대한 제안된 해

양자 중력 이론에서 시간 문제는 핵심적인 문제로 여겨지며, 이 문제를 해결하기 위해 다양한 해결 방안이 제시되었다.

브라이스 디윗은 1960년대에 양자 중력 연구에서 시간의 양자 개념을 처음으로 제시했다.[38] 그는 "다른 시간들은 그저 다른 우주들의 특별한 경우일 뿐이다."라고 말했다.

시간은 일종의 양자 얽힘 현상으로, 모든 동일한 시계 판독값(정확하게 준비된 시계 또는 시계로 사용할 수 있는 모든 개체)을 동일한 기록에 배치한다. 이는 1983년 물리학자 돈 페이지와 윌리엄 우터스에 의해 처음으로 제안되었다.[39]

이 외에도 카를로 로벨리의 아이디어를 기반으로 한 축소된 페이즈 공간 양자화, 아브샬롬 엘리제르와 샤하르 돌레브의 제안, 리 스몰린의 "두꺼운 현재" 개념 등이 제시되었다.

4. 1. 페이지-우터스 메커니즘과 얽힘 시간

돈 페이지와 윌리엄 우터스는 양자 얽힘을 사용하여 시간을 측정하는 방법을 제안했다.[41] 이들은 시간은 모든 동일한 시계 판독값(정확하게 준비된 시계 또는 시계로 사용할 수 있는 모든 개체)을 동일한 기록에 배치하는 얽힘 현상으로 간주될 수 있다고 보았다.[39]

2013년, 이탈리아 토리노에 있는 이탈리아 국립 도량형 연구소(INRIM)에서 예카테리나 모레바가 이끄는 연구진은 페이지와 우터스의 아이디어에 대한 첫 번째 실험을 수행했다.[42] 이 실험을 통해 휠러-디윗 방정식에서 예측된 바와 같이, 시간이 내부 관찰자에게는 창발적인 현상이지만 우주의 외부 관찰자에게는 존재하지 않는다는 사실을 확인했다.[42][43][44]

4. 2. 일관된 이산화 접근법

호르헤 풀린과 로돌포 감비니가 개발한 일관된 이산화 접근법은 양자 중력에 대한 격자 근사 기법이다.[45] 이 접근법은 제약 조건이 없어, 정준 접근 방식에서 제약 조건과 운동 방정식을 이산화할 때 발생하는 불일치 문제를 해결한다. 이론의 작용을 이산화하고 이산 운동 방정식으로 작업함으로써 일관성을 자동 보장한다.

양자 중력의 어려운 개념적 문제는 대부분 이론의 제약 조건과 관련되어 있는데, 일관된 이산화 이론은 이러한 문제가 없어 직접 양자화가 가능하며, 이는 시간 문제에 대한 해를 제공한다.[45] 비록 제약 조건이 없고 "일반적인 진화"가 존재하지만, 이는 물리적으로 접근 불가능한 개별 매개 변수의 관점에서만 가능하다. 이 문제는 페이지-우터스 접근 방식과 유사하게, 물리적 변수 중 하나를 시계로 선택하고 관계형 질문을 함으로써 해결된다.

이러한 아이디어는 시계까지 양자 역학적으로 고려하여, 양자 역학의 새로운 해석인 몬테비데오 해석으로 이어졌다.[45][46] 이 해석은 양자 역학에서 측정 과정에서 시계의 양자 역학적 특성으로 인한 근본적인 한계를 도입하여, 측정 문제에 대한 해결책으로 결맞음을 사용하는 문제를 해결한다. 이러한 한계는 양자 중력과 같이 일반적으로 공변하는 이론의 맥락에서 자연스럽다. 또한, 이들은 근본적인 결맞음 현상을 블랙홀 정보 역설을 해결하는 방법으로 제시했다.[47][48]

4. 3. 축소된 페이즈 공간 양자화

카를로 로벨리의 아이디어를 기반으로 구축된 디트리히의 근사화 기법에 관련된 아이디어를 사용하면, 제약 조건을 먼저 해결한 다음 양자화하는 축소된 위상 공간 양자화를 적어도 이론적으로는 명시적으로 구현할 수 있게 되었다.[49] 이 접근 방식은 아인슈타인 방정식의 일반 해를 먼저 찾아야 하는 것처럼 보이기 때문에 한동안 불가능한 것으로 여겨졌다.

4. 4. 기타 제안

아브샬롬 엘리제르와 샤하르 돌레브는 양자 거짓말쟁이Quantum Liar영어[50]와 같은 양자 역학 실험이 일관성 없는 역사의 증거를 제공하며, 따라서 시공간 자체가 전체 역사에 영향을 미치는 변화를 겪을 수 있다고 주장한다.[51] 엘리제르와 돌레브는 또한 객관적인 시간의 흐름과 상대성 이론을 조화시킬 수 있으며, 블록 우주와 상대성 이론, 양자 역학 사이의 갈등과 관련된 많은 문제를 해결할 것이라고 믿는다.[52]

리 스몰린은 현재의 두 사건이 서로 인과적으로 관련될 수 있는 "두꺼운 현재"가 존재한다고 제안한다. 이는 모든 시간이 영원히 존재한다는 블록 우주 관점과는 대조적이다.[53] 마리나 코르테스와 리 스몰린은 이산 동적 물리 계의 특정 클래스가 객관적인 시간 경과와 일치하는 시간 비대칭성과 비가역성을 입증한다고 주장한다.[54]

5. 규모 불변 양자 중력에서 바일 시간

루프 양자중력의 이미르치 모호성과 소립자[55] 표준 모형의 거의 등각적인 불변성에 동기를 부여받은 찰스 왕과 동료들은 시간의 문제가 중력-물질 계의 기본 척도 불변성과 관련될 수 있다고 주장했다.[56][57][58] 기본 결합의 계층 문제를 해결하기 위해 규모 불변성도 제안되었다.[59] 전역 연속 대칭으로서 스케일 불변성은 뇌터 정리에 따라 변환된 바일 흐름[56][57]을 생성한다. 규모 불변 우주론 모델에서 이 바일 흐름은 자연스럽게 조화적 시간을 발생시킨다.[60] 루프 양자 중력의 맥락에서 찰스 왕 등은 규모 불변성이 양자화된 시간의 존재로 이어질 수 있다고 제안한다.[56]

6. 열 시간 가설

카를로 로벨리와 알랭 콘은 물리적 시간 흐름이 이론에서 선험적으로 주어지는 기본 속성이 아니라, 열역학적 기원을 가지는 '''거시적 특징'''이라고 가정한다.[61][31][32]

참조

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