과학자들은 우주에서 가장 작은 공간 및 시간 측정 단위에서 새로운 발견을 하지 못했습니다. 플랑크 스케일(Planck scale )에서 시간과 공간의 양자 변동에 대한 새로운 검색을 했는데, 모든 것이 거칠지 않고 매끄럽다는 것을 물리학자들은 발견했습니다.
이것은 적어도 현재로서는 여전히 일반 상대성 이론과 양자 역학에 대한 해결 방법을 찾을 수 없다는 것을 의미합니다. 이것은 우주에 대한 우리의 이해에서 가장 혼란스러운 문제 중 하나입니다.
일반 상대성 이론은 대규모 물리적 우주에서 중력의 상호 작용을 설명하는 중력 이론입니다. 우주에 대한 예측을 하는데 사용할 수 있습니다. 일반 상대성 이론은 블랙홀의 움직임과 같은 중력파를 예측합니다.
상대성 이론 범위 안의 시간과 공간은 우리가 “지역성”이라고 부르는 원리를 따릅니다. 즉, 물체는 오직 시간과 공간의 주변 환경에 의해서만 직접적으로 영향을 받습니다.
양자 영역 (원자 및 아원자 규모)에서 일반 상대성이 붕괴되고 양자 역학이 직접 모든 것을 관장합니다. 측정이 되기 전에는 양자 영역 중의 그 어떤 사물도 특정한 위치나 시간에서 발생하지 않으며, 또한 공간이나 시간에 의해서 분리된 양자 시스템 개개의 부분은 여전히 상호 작용할 수 있는데, 이 현상을 비지역성(non-locality)이라고 합니다.
비록 이런 차이점이 존재함에도 불구하고 일반 상대성 이론과 양자 역학은 여전히 존재하고 또한 상호 작용을 합니다. 그러나 지금까지는 두 개 사이의 차이점을 해결하는 것은 극도로 어렵다는 사실을 증명했습니다.
이것이 바로 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)의 홀로그램이 작용을 하는 곳 입니다. 시카고 대학의 천문학 자이자 물리학자인 크레이그 호건(Craig Hogan)이 주도하는 프로젝트 입니다. 가능한 최소의 단위로 시간과 공간의 양자 변동을 감지하는 기기(플랑크 길이 (10 ^ (-33) cm) 및 플랑크 시간, 즉 빛이 플랑크 길이를 통과하는데 걸리는 시간 측정)입니다.
이것은 빔 스플리터에서 서로 교차하는 두 개의 동일한 40m (131ft) 간섭계로 구성됩니다. 빔 플리터를 향해 레이저를 발사한 다음 두 팔(arms)을 아래로 향하게 해서 두 개의 반사 거울까지 발송한다. 그런 다음 다시 빔 스플리터를 향해 반사하여 재결합합니다. 플랑크 스케일의 그 어떤 파동이라도 모두 다 반사되는 빔과 방출되는 빔은 다르다는 것을 의미합니다.
몇 년 전 홀로그램은 시간과 공간에서 왕복 양자 시간에 기반한 지터 오류에 대해서 공간적 측정을 진행했습니다. 이것은 우리가 현재 측정할 수 있는 시공간 자체가 정량화 되어 있지 않음을 보여줍니다. 다시 말해, 그것은 분해를 함으로써 흩어지는데 더 나눌 수 없는 단위나 양자로 됩니다.
간섭계의 팔(interferometric arms)이 직선이기 때문에 파동이 회전하는지 여부와 같은 다른 종류의 파동 움직임을 감지하는 것은 불가능합니다. 이것은 매우 중요할 수 있습니다.
일반 상대성 이론에서 보면 회전하는 물질은 시간과 공간을 끌고 당기고 있습니다. 존재하는 회전 질량이 있는 상황에서 자이로 스코프에 의해 측정 된 국부 비회전 프레임은 상대적으로 먼 우주를 기준으로 회전합니다. 그러나 원격 측정한 항성은 상대적으로 먼 우주를 기준으로 회전합니다. 호건은 Fermilab 웹 사이트에 이렇게 썼습니다. 양자 시공간이 일부 프레임 에서는 플랑크 스케일의 불확실성이 있을 가능성이 매우 높습니다. 이로 인해 임의의 회전 파동이나 왜곡이 발생하는데 이것은 우리의 첫 번째 실험에서는 발견할 수 없는 것입니다. 그리고 그 어떤 일반 자이로 스코프에서 측정하기에는 크기가 너무나 작아서 측정할 방법이 없습니다.
그래서 이 팀은 기기를 새로이 디자인 했습니다. 회전을 하는 그 어떤 양자 운동이든 다 측정할 수 있게 부가적인 반사 거울을 추가했습니다. 그 결과 매우 민감한 자이로 스코프를 만들어 냈습니다. 초당 수백만 번 방향을 바꾸는 플랑크 스케일의 회전 왜곡을 측정할 수 있습니다.
2017 년 4 월부터 2019 년 8 월까지 5 건의 관측에서 이 팀은 1,098 시간의 이중 간섭계 시간의 순차적인 데이터를 수집했습니다. 모든 시간 안에서 그 어떤 작은 움직임도 발견이 되진 않았습니다. 우리가 알고 있는 것처럼 시간과 공간은 여전히 하나의 연속적인 과정입니다.
그러나 이것은 일부 과학자들이 건의하는 것처럼 홀로그램이 시간 낭비라는 것을 의미하지는 않습니다. 세상에는 다른 유사한 도구는 없습니다. 그 되돌아 오는 결과 (있던 없던 간에)는 플랑크 스케일에서 상대성 이론과 양자 역학의 교차점을 탐구하려는 미래의 노력을 결정할 것입니다.
만약 조치를 취하지 않고 이론을 지도하면 양자 시공간이 어떻게 작동하는지 영원히 이해하지 못할 수도 있습니다. 홀로그램은 탐색적 실험이라고 호건은 말합니다. 우리의 실험은 대략적인 이론을 사용하여 설계를 지도합니다 그렇지만 효과가 없는 결과를 설명할 수 있는 독특한 방법은 여전히 없습니다. 이는 우리가 찾고 있는 것에 대한 엄격한 이론이 없기 때문입니다.
시간 기반의 지터 오류는 우리가 생각한 것보다 작을까요? 아니면 이것들은 서로 대칭적이어서 아직 측정하지 않은 공간에서 일종의 새로운 패턴을 생성하는 것일까요? 새로운 기술은 우리가 하는 실험보다 미래의 실험을 더 좋게 만들 것이고 아울러서 우리에게 좋은 실마리를 제공해 줄 것 입니다. 그것은 바로 더 심도 있는 양자 시스템으로부터 시공간을 어떻게 생성하는지를 설명해 줍니다.
