루프 양자 중력 이론

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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 초끈이론을 비롯한 '소립자는 입자가 아니라 (두 가지의) 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^-33)를 시공간의 최소 단위로 설정하고, 점과 선의 기하를 통하여 '시공간'을 기술하고 있다. 이 이론은 스핀 네트워크라고 하며, 격자와 격자점을 형상한다. 기하학 왜 배우는지 이제 아시겠어요?

2 역사

스티븐 호킹과 로저 펜로즈의 특이점 정리, 가모브의 빅뱅이론은 표준적인 일반 상대론과 양자역학으로 설명이 불가능했다. 더군다나 상대론의 주창자인 아인슈타인은 죽을 때까지 '양자역학'을 인정하지 않았다. 정확히 말하자면 아인슈타인이 부정한 것은 양자역학의 해석이다. 그 스스로는 양자역학을 잘 이해하고 있었고 EPR 역설이라는 사고 실험을 창안하기도 하였다. 슈뢰딩거 또한 슈뢰딩거 방정식을 고안할 때 '상대론적 효과'를 고려하지 않았다. 그렇기 때문에 슈뢰딩거는 스핀이 0인 보손을 대상으로 한 상대론적 양자역학을 만들었다. 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 양성자같은 페르미온 입자를 상대론적인 양자역학으로 기술 할 수 있게 되었던 것이다. 하지만 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하는 일 즉, 휘어진 시공간에서의 양자역학은 아직 요원한 일이기만 하였다.

다행히도 아인슈타인의 중력학 동료인 휠러는 양자역학을 사용한 돌파구를 찾아냈다. 1967년 드위트와 휠러는 휠러-드위트 방정식을 고안해 냈는데, 이것이 바로 현재 '정준 양자 중력'을 불리우는 '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. 이 때가 1970년도였으며, 약 20년 후인 1990년 경 스몰린과 같은 학자들이 '루프 양자 중력'을 들고 등장한 것이다. 현재 루프 양자 중력을 가지고 여러가지 문제를 해결하고 있다. 예를 들면 타임머신을 개발할 때 이용한다던가

3 초끈이론과의 비교

초끈이론은 검증이 사실상 불가능할 정도로 작은 규모를 다루기 때문에 명성 못지않게 까는 사람이 많은 편이다. 사실상 현재의 5개의 끈이론을 융합하여 새로운 형태의 초끈이론인 M-이론을 제안한 위튼은 "M이론에 있는 M의 약자가 Murky의 약자라고요? 예, 사실입니다. 그 이야기도 미리 해둘 걸 그랬네요."라고 했으며, 브라이언 그린 또한 저서인 '멀티 유니버스'에서 "전망이 좋지 않은 초끈이론."이라고 인정했다. 루프 양자 중력 또한 실상은 그리 다르지 않다. 그러나 다행인지 불행인지 아는 사람이 거의 없어서 비판받지 않는다...는 농담이고, 초끈이론과 같은 '파격적인' 이론이 아니라 그렇다. 초끈이론은 범위가 매우 넓어서 '표준모형'까지 아우르며, 심지어는 중력까지 포용할 만큼 도전적이다. 그러나 루프 양자 중력은 오로지 '중력'을 위한 이론이며, 입자의 상호작용에는 관여하지 않는다. 따라서 '대통일장 이론'에 적격인 이론으로 보기 힘들다.