고리 양자 중력의 역사
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1. 개요
고리 양자 중력(LQG)은 일반 상대성 이론과 양자역학을 결합하려는 시도로, 시공간의 양자적 성질을 연구하는 이론이다. 1915년 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 기하학으로 설명하며, 1920년대에는 엘리 카르탕이 미분 기하학을 사용하여 이를 수학적으로 형식화했다. 1971년 로저 펜로즈는 스핀 네트워크 개념을 도입하여 양자 조합 구조에서 공간의 개념을 연구했으며, 1980년대 아브하이 아쉬테카는 일반 상대성 이론을 양자화하기 위한 아쉬테카 변수를 개발했다. 1988년-1990년에는 카를로 로벨리와 리 스몰린이 스핀 네트워크를 양자 기하학의 기저로 밝혀냈다. LQG는 양자화된 시공간, 배경 독립성 등의 특징을 가지며, 블랙홀 열역학, 초기 우주, 양자 중력 현상 예측 등에 응용될 수 있다.
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| 고리 양자 중력의 역사 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 주제 | 양자중력 |
| 개발 시기 | 1980년대 후반 |
| 주요 인물 | 아비헤이 아슈테카르 카를로 로벨리 리 스몰린 테오도르 야콥손 루이스 크레인 존 바에즈 |
| 다른 이름 | 양자 고리 이론 |
| 배경 | |
| 일반 상대성이론의 문제점 | 특이점 발생 양자역학과의 통합 어려움 |
| 양자역학의 문제점 | 시공간의 연속성 가정 중력 설명의 한계 |
| 초기 연구 (1980년대) | |
| 아슈테카르 변수 도입 | 아비헤이 아슈테카르가 일반 상대성이론을 재 formulation하여 양자화 용이하게 만듦 |
| 고리 변수와 표면 변수 | 테오도르 야콥슨과 리 스몰린이 고리 변수와 표면 변수를 사용하여 양자화 시도 |
| 발전 (1990년대) | |
| 위상 양자장론과의 연결 | 루이스 크레인이 위상 양자장론과의 연관성을 발견 |
| 스핀 네트워크 | 카를로 로벨리와 리 스몰린이 스핀 네트워크 개념을 도입하여 양자 기하학을 기술 |
| 스핀 폼 | 존 바에즈가 스핀 폼 모델을 개발하여 경로 적분 양자화를 시도 |
| 주요 성과 | |
| 면적과 부피의 양자화 | 면적과 부피가 양자화된 값을 가짐을 보임 |
| 블랙홀 엔트로피 계산 | 블랙홀의 엔트로피를 계산하여 베켄슈타인-호킹 공식을 유도 |
| 논쟁점 및 과제 | |
| 시간의 문제 | 고리 양자 중력에서 시간의 개념 정의가 어려움 |
| 고전적 극한 | 고리 양자 중력이 고전적인 일반 상대성이론으로 어떻게 수렴하는지 불분명 |
| 실험적 검증 | 실험적으로 검증할 방법이 아직 없음 |
| 연구 동향 | |
| 스핀 폼 모델 연구 | 새로운 스핀 폼 모델 개발 및 수학적 엄밀성 확보 |
| 고전적 극한 연구 | 고리 양자 중력이 고전적 시공간으로 수렴하는 과정 연구 |
| 응용 연구 | 우주론, 블랙홀 물리학 등 다양한 분야에 적용 시도 |
| 참고 문헌 | |
| 주요 논문 | Ashtekar, A. (1986). New Variables for Canonical Gravity. Physical Review Letters, 57(18), 2244. Physical Review Letters Rovelli, C., & Smolin, L. (1995). Discreteness of Area and Volume in Quantum Gravity. Nuclear Physics B, 442(3), 594-619. Nuclear Physics B |
| 관련 링크 | |
| 관련 웹사이트 | 고리 양자 중력 (영어): Wikipedia 스핀 폼 모델 (영어): Wikipedia |
2. 역사
1920년대 엘리 카르탕은 일반 상대성 이론을 다발과 접속을 사용하여 수학적으로 형식화하였다.[14] 이 이론은 아인슈타인-카르탕 이론으로 불리며, 비틀림과 곡률이 있는 시공간을 허용하여 일반 상대성 이론을 재형식화하고 일반화하였다. 카르탕의 다발 기하학에서 평행 운송 개념은 리만 기하학의 핵심인 거리 개념보다 더 근본적이다.
1971년, 로저 펜로즈는 양자 조합 구조에서 공간이 생겨난다는 아이디어를 탐구하며 스핀 네트워크를 개발하였다.[2][3]
1982년, 아미타바 센은 일반 상대성 이론의 아인슈타인-카르탕 접속에 해당하는 왼쪽 및 오른쪽 스피너적 구성 요소를 기반으로 일반 상대성 이론의 해밀턴 형식화를 시도했다.[17] 1986~87년에 아브하이 아쉬테카는 센의 연구를 완료하고, 스피너 중력의 근본적인 켤레 변수를 명확하게 식별했는데, 구성 변수는 스피너 접속이고 켤레 운동량 변수는 각 지점에서 좌표틀(비어바인(vierbein))이다.[18][19] 이 변수는 아쉬테카 변수로 알려져 있으며, 이를 통해 양자 게이지 장론의 기술을 사용하여 중력의 양자화가 가능하게 되었다.
아쉬테카 형식화에서 중력의 양자화는 케네스 G. 윌슨이 양자 색역학의 강한 상호 작용을 연구하기 위해 만든 윌슨 고리를 기반으로 한다.[20] 배경 독립적인 아쉬테카 공식 덕분에, 윌슨 고리는 비섭동적 중력 양자화의 기초로 사용될 수 있었다. 센과 아쉬테카의 연구로 Wheeler-DeWitt 방정식이 잘 정의된 힐베르트 공간에서 잘 정의된 해밀토니안 연산자로 작성되었고, 최초의 정확한 해인 천–사이먼스 형식 또는 코다마 상태가 구성되었다.
1988년에서 1990년 사이에 카를로 로벨리와 리 스몰린은 로저 펜로즈의 스핀 네트워크를 통해 양자 기하학 상태의 명시적 기초를 얻었다.[21][22] 이 과정에서 스핀 네트워크는 윌슨 고리의 일반화된 형태로 도입되었다.
1994년, 로벨리와 스몰린은 면적 및 부피와 관련된 이론의 양자 연산자가 이산적인 스펙트럼을 갖는다는 것을 증명하였다.[23] 이후 연구는 준고전적 극한, 연속체 극한, 그리고 역학에 집중되었지만, 발전 속도는 더뎠다.
최근 고리 양자 중력(LQG) 연구는 "스핀 폼 이론"이라고 하는 이론의 공변적 공식화를 통해 진행되었다. 이 접근 방식은 3차원 양자 중력의 투라예프-비로 모델과 같은 통계 역학 및 위상 양자장 이론의 상태-합 모델과 관련이 있으며, 시공간을 이산화하여 일반 상대성 이론의 파인만 경로 적분을 계산하는 레지 미적분 접근 방식과도 관련이 있다.
2. 1. 중력의 고전적 이론
일반 상대성 이론은 1915년 발표된 중력 이론이다. 이에 따르면, 중력은 시공간의 국소적 기하학의 표현이다. 수학적으로, 이 이론은 베른하르트 리만의 리만 기하학을 바탕으로 수학적 모형을 구성했지만, 로렌츠 시공간 대칭 군(특수 상대성 이론의 필수 요소)은 공간의 회전 대칭 군을 대체한다. (나중에, 고리 양자 중력은 중력에 대한 이러한 기하학적 관점을 물려받았고 중력의 양자 이론은 근본적으로 시공간의 양자 이론이라고 가정한다.)1920년대에 프랑스 수학자 엘리 카르탕은 다발과 접속으로 일반 상대성 이론을 수학적 형식화 하였다.[14] 이 이론은 아인슈타인-카르탕 이론이라고 부른다. 아인슈타인-카르탕 중력 이론은 일반 상대성 이론을 재형식화 했을 뿐만 아니라 일반화했으며 비틀림과 곡률이 있는 시공간을 허용했다. 카르탕의 다발 기하학에서 평행 운송의 개념은 리만 기하학의 핵심인 거리개념 보다 더 근본적이다. 또한, 일반 상대성 이론의 불변 구간과 아인슈타인-카르탕 이론의 평행 운송 사이에 개념적 유사성이 있다.
2. 2. 스핀 네트워크
1971년, 물리학자 로저 펜로즈는 양자 조합 구조에서 공간이 생겨난다는 아이디어를 탐구했다.[2][3] 그의 연구는 스핀 네트워크의 개발로 이어졌다. 이는 로렌츠군이 아닌 회전군의 양자 이론이었기 때문에, 펜로즈는 트위스터 이론을 발전시켰다.[4][15][16]2. 3. 고리 양자 중력의 등장
1982년, 아미타바 센은 일반 상대성 이론의 아인슈타인-카르탕 접속에 해당하는 왼쪽 및 오른쪽 스피너적 구성 요소를 기반으로 일반 상대성 이론의 해밀턴 형식화를 시도했다.[17] 센은 일반 상대성 이론의 ADM 해밀턴 형식화의 두 가지 제약 조건을 스핀 접속으로 표현하는 새로운 방법을 발견했다. 그는 또한 양-밀스 양자장론의 가우스 제약과 동등한 것으로 해석되는 새로운 제약의 존재를 발견했다. 그러나 센의 연구는 완전한 체계적 이론을 제공하지 못했고, 스피너 변수에 대한 켤레 운동량과, 그것의 물리적 해석 및 계량과의 관계를 명확하게 논의하지는 못했다.1986~87년에 물리학자 아브하이 아쉬테카는 센이 시작한 프로젝트를 완료했다. 그는 스피너 중력의 근본적인 켤레 변수를 명확하게 식별했는데, 구성 변수는 스피너 접속이고 켤레 운동량 변수는 각 지점에서 좌표틀(비어바인(vierbein))이다.[18][19] 이 변수는 복소 접속을 가진 아인슈타인-카르탕 이론의 특정 형태인 아쉬테카 변수로 알려지게 되었다. 이렇게 표현된 일반 상대성 이론은 양자 게이지 장론에서 잘 알려진 기술을 사용하여 중력의 양자화를 가능하게 했다.
아쉬테카 형식화에서 중력의 양자화는 1974년에 케네스 G. 윌슨이[20] 양자 색역학의 강한 상호 작용 체계를 연구하기 위해 만든 윌슨 고리를 기반으로 한다. 윌슨 고리가 민코프스키 공간에 대한 표준적 양자장론의 경우 적용되지 않아, 양자 색역학의 비섭동적 양자화를 제공하지 않았지만, 아쉬테카 공식은 배경 독립적이기 때문에 윌슨 고리를 비섭동적 중력 양자화의 기초로 사용할 수 있었다.
센과 아쉬테카의 노력으로 Wheeler-DeWitt 방정식이 잘 정의된 힐베르트 공간에서 잘 정의된 해밀토니안 연산자로 작성된 설정이 얻어졌다. 이로 인해 최초의 정확한 해인 천–사이먼스 형식 또는 코다마 상태가 구성되었으나, 이 상태의 물리적 해석은 모호하다.
2. 4. 핵심 개념의 발전과 현재
1988년에서 1990년 사이에 카를로 로벨리와 리 스몰린은 로저 펜로즈의 스핀 네트워크를 통해 양자 기하학 상태의 명시적 기초를 얻었다.[21][22] 이 과정에서 스핀 네트워크는 서로 교차하는 고리를 다루기 위해 필요한 윌슨 고리의 일반화된 형태로 도입되었다. 수학적으로 스핀 네트워크는 군 표현론과 관련이 있으며, 존스 다항식과 같은 매듭 불변량을 만드는 데 사용될 수 있다. 이러한 관계는 고리 양자 중력이 위상 양자장론 및 군 표현론과 연결되도록 만들었다.1994년, 로벨리와 스몰린은 면적 및 부피와 관련된 이론의 양자 연산자가 이산적인 스펙트럼을 갖는다는 것을 증명하였다.[23] 이후 연구는 준고전적 극한, 연속체 극한, 그리고 역학에 집중되었지만, 그 발전 속도는 더뎠다.
준고전적 극한 연구의 목표는 조화 진동자의 결맞음 상태와 유사한 상태를 찾아 연구하는 것이다. 고리 양자 중력(LQG)은 초기에는 해밀턴 ADM 형식주의의 양자화로 형식화되었으며, 이에 따르면 중력 방정식은 가우스, 미분 동형 사상, 해밀토니안 제약 조건들의 집합으로 표현된다. 운동학은 가우스 및 미분 동형 사상 제약 조건에 의해 결정되며, 그 해는 스핀 네트워크 기저에 의해 생성되는 공간이다. 여기서 문제는 해밀토니안 제약 조건을 운동학적 상태 공간에서 자기 수반 연산자로 정의하는 것이다. 이 방향으로 가장 주목할 만한 연구는 토마스 티만의 피닉스 프로젝트이다.[24]
최근 LQG 연구의 많은 부분은 "스핀 폼 이론"이라고 하는 이론의 공변적 공식화를 통해 진행되었다. 공변적 역학의 현재 버전은 여러 연구 그룹의 연구 결과가 수렴된 것으로, 2007-08년 조나단 엥글, 로베르토 페레이라, 카를로 로벨리의 논문에 의해 명명되었다.[25] 경험적으로 스핀 네트워크 상태 간의 진화는 스핀 네트워크에 대한 이산 조합 연산으로 설명될 수 있으며, 이는 시공간의 2차원 골격을 추적한다. 이 접근 방식은 3차원 양자 중력의 투라예프-비로 모델과 같은 통계 역학 및 위상 양자장 이론의 상태-합 모델과 관련이 있으며, 시공간을 이산화하여 일반 상대성 이론의 파인만 경로 적분을 계산하는 레지 미적분 접근 방식과도 관련이 있다.
3. 주요 특징
일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 기하학으로 설명하며, 리만 기하학을 바탕으로 한다. 엘리 카르탕은 아인슈타인-카르탕 이론을 통해 비틀림과 곡률이 있는 시공간을 포함하여 일반 상대성 이론을 확장했다.[14] 로저 펜로즈는 스핀 네트워크를 개발하여 양자적 공간 개념을 연구했다.[15][16]
1982년 아미타바 센(Amitabha Sen)은 스피너 변수를 기반으로 일반 상대성 이론의 해밀턴 형식화를 시도했다.[17] 1986~87년에 아쉬테카는 센의 연구를 완료하고, 스피너 중력의 켤레 변수를 명확히 식별하여 아쉬테카 변수를 만들었다.[18][19] 이는 양자 게이지 장론 기술을 사용하여 중력을 양자화하는 길을 열었다.
아쉬테카 형식화에서 중력의 양자화는 케네스 G. 윌슨의 윌슨 고리를 기반으로 한다.[20] 센과 아쉬테카의 연구로 휠러-디윗 방정식이 잘 정의되었고, 최초의 해인 천–사이먼스 형식이 구성되었으나, 그 물리적 해석은 명확하지 않다.
1988년에서 1990년 사이에 카를로 로벨리와 리 스몰린은 스핀 네트워크를 통해 양자 기하학 상태의 기초를 얻었다.[21][22] 스핀 네트워크는 군 표현론과 관련되어 매듭 불변량을 구성하는 데 사용될 수 있다. 1994년 로벨리와 스몰린은 면적 및 부피 연산자가 이산 스펙트럼을 가짐을 보였다.[23]
4. 응용 및 연구 과제
고리 양자 중력은 아직 실험적으로 검증 가능한 예측을 제시하지 못하고 있다. 그러나 양자 중력 현상을 관측하기 위한 다양한 실험 방법이 제안되고 연구되고 있다.
4. 1. 양자 중력 현상 예측
고리 양자 중력은 아직 실험적으로 검증 가능한 예측을 제시하지 못하고 있다. 그러나 양자 중력 현상을 관측하기 위한 다양한 실험 방법이 제안되고 연구되고 있다.참조
[1]
간행물
Sur une généralisation de la notion de courbure de Riemann et les espaces à torsion.
C. R. Acad. Sci.
1922
[2]
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New variables for classical and quantum gravity
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Loop space representation of quantum general relativity
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