끈 이론을 테스트하기

끈 이론에서는 작은 끈 조각이 전통적인 아원자 입자를 대체합니다.

끈 이론에서는 작은 끈 조각이 전통적인 아원자 입자를 대체합니다. (이미지 크레디트: 마이클 테일러 | 셔터스톡 )





폴 엠. 서터 SUNY Stony Brook과 Flatiron Institute의 천체 물리학자입니다. 우주인에게 물어보세요 그리고 우주 라디오 , 그리고 '의 저자 우주에서 당신의 위치. ' Sutter는 이 기사를 guesswhozoo.com의 전문가 목소리: Op-Ed 및 통찰력 .

끈 이론은 모든 것에 대한 문자 그대로의 이론이 되기를 희망합니다. 이것은 중력이 작용하는 방식부터 도대체 암흑 에너지가 무엇이든, 왜 전자가 존재하는지에 이르기까지 우주와 입자 충돌기에서 볼 수 있는 모든 다양성과 풍부함을 설명하는 단일 통합 프레임워크입니다. 그들이 하는 질량. 그리고 잠금 해제되면 물리적 세계에 대한 우리의 이해에 완전히 혁명을 일으킬 잠재적으로 강력한 아이디어이지만 직접적으로 테스트된 적은 없습니다.

그러나 끈 이론의 토대와 잠재적인 결과 중 일부를 탐구하는 방법이 있었습니다. 그리고 이러한 테스트가 끈 이론을 어떤 식으로든 직접적으로 증명하지는 못하지만 그 주장을 뒷받침하는 데 도움이 될 것입니다. 탐색해 봅시다.



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혼란스러운 문제

그러나 먼저 끈 이론이 테스트하기 어려운 이유를 조사해야 합니다. 두 가지 이유가 있습니다.

끈 이론의 끈은 엄청나게 작아서 플랑크 척도(Planck scale) 주변 어딘가에 있는 것으로 생각되며, 지름은 10^-34미터입니다. 그것은 우리가 가장 정밀한 장비로도 조사할 수 있는 그 어떤 것보다 훨씬 훨씬 작습니다. 그 끈은 사실 너무 작아서 우리에게 전자, 광자, 중성자와 같은 점 같은 입자처럼 보입니다. 우리는 단순히 문자열을 직접 쳐다볼 수 없습니다.



그 작음과 관련하여 끈 이론이 실제로 중요한 영역을 조사하는 데 필요한 에너지 규모가 있습니다. 오늘 현재 우리는 설명을 위해 두 가지 다른 접근 방식을 가지고 있습니다. 자연의 네 가지 힘 . 한편으로, 우리는 전자기와 두 개의 핵력에 대한 미시적인 설명을 제공하는 양자장 이론의 기술을 가지고 있습니다. 그리고 다른 한편으로 우리는 중력을 시공간의 휘어짐과 뒤틀림으로 이해할 수 있게 해주는 일반 상대성 이론을 가지고 있습니다.

우리가 직접 조사할 수 있는 모든 경우에는 둘 중 하나를 사용하는 것이 좋습니다. 끈 이론은 우리가 네 가지 힘을 하나의 설명으로 결합하려고 할 때만 작동합니다. 이것은 매우 높은 에너지 규모에서만 정말 중요합니다. 너무 높아서 그런 높이에 도달하는 기계를 결코 만들 수 없습니다.

그러나 양자 중력의 에너지를 직접 조사하기 위해 입자 충돌기를 고안할 수 있다고 해도 끈 이론은 아직 완성되지 않았기 때문에 끈 이론을 테스트할 수 없었습니다. 존재하지 않습니다. 우리는 실제 이론에 근접하기를 바라는 근사값만 가지고 있지만 우리가 얼마나 옳은지(또는 그른지) 알지 못합니다. 따라서 끈 이론은 우리가 가상의 실험과 비교할 수 있는 예측을 하는 작업에 달려 있지 않습니다.



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코스믹 블루스

잠재적인 끈의 세계를 실제로 깊이 살펴보기 위해 입자 충돌기에 필요한 에너지에 도달할 수는 없지만 138억 년 전 우리의 전체 우주는 기본 힘의 가마솥이었습니다. 아마도 우리는 빅뱅의 역사를 살펴봄으로써 약간의 날카로운 통찰력을 얻을 수 있을 것입니다.

끈 이론가들이 제시한 한 가지 제안은 또 다른 종류의 이론적인 끈인 우주 끈입니다. 우주 끈은 빅뱅의 초기 순간부터 남겨진 시공간의 우주에 걸친 결함이며, 그 시대의 물리학에 대한 꽤 일반적인 예측입니다. 우주 .

하지만 우주의 끈 '미시적'이라는 단어가 너무 커서 일반적으로 너무 작아서 우주의 끊임없는 팽창에 의해 늘어나고 당겨지는 끈 이론의 엄청나게 늘어난 끈일 수도 있습니다. 그래서 우리가 우주 저 너머에 떠 있는 우주의 끈을 발견한다면, 우리는 그것을 주의 깊게 연구하고 그것이 정말로 끈 이론에 의해 예측된 것인지 확인할 수 있습니다.

현재까지 우리 우주에서는 우주의 끈이 발견되지 않았습니다.

그래도 검색은 계속됩니다. 우리가 우주 끈을 찾았다고 해서 끈 이론이 반드시 검증되는 것은 아닙니다. 끈 이론 예측을 시공간의 균열 버전과 구분하기 위해서는 이론적으로나 관찰적으로 더 많은 작업이 필요합니다.

너무 초대칭이 아닙니다

그래도 우리는 몇 가지 흥미로운 단서를 얻을 수 있으며 그 단서 중 하나는 초대칭 . Supersymmetry는 단일 프레임워크 아래에서 모든 페르미온(전자 및 쿼크와 같은 현실의 구성 요소)과 보손(글루온 및 광자와 같은 힘의 운반자)을 함께 연결하는 가상의 자연 대칭입니다.

초대칭 기계는 끈 이론가들에 의해 처음으로 고안되었지만 모든 고에너지 물리학자들이 잠재적으로 표준 모델의 몇 가지 문제를 해결하고 새로운 물리학에 대한 예측을 할 수 있는 흥미로운 방법으로 불을 붙였습니다. 끈 이론 내에서 초대칭은 끈이 자연의 힘뿐만 아니라 빌딩 블록도 설명할 수 있도록 하여 그 이론이 진정으로 모든 것에 대한 이론이 될 수 있는 힘을 줍니다.

따라서 우리가 초대칭에 대한 증거를 찾는다면 끈 이론을 증명하지는 않겠지만 중요한 디딤돌이 될 것입니다.

우리는 초대칭에 대한 어떠한 증거도 찾지 못했습니다.

LHC(Large Hadron Collider)는 이론에 의해 예측된 새로운 입자를 찾아 초대칭 또는 최소한 가장 간단하고 접근하기 쉬운 초대칭 버전을 탐색하도록 명시적으로 설계되었습니다. LHC는 새로운 초대칭 입자의 냄새조차 없이 완전히 비어 있는 것으로 나타났으며, 지도에서 가장 단순한 초대칭 아이디어를 완전히 지워버렸습니다.

그리고 이 부정적인 결과가 끈 이론을 배제하지는 않지만 그렇다고 너무 멋지게 보이지도 않습니다.

언젠가 우리는 끈 이론의 토대나 측면 예측에 대한 증거를 갖게 될까요? 말할 수 없습니다. 지금까지 전달에 실패한 초대칭에 대한 많은 희망이 있었고, 초대칭에 대해 더 열심히 노력하기 위해 더 큰 충돌기를 구축할 가치가 있는지 아니면 그냥 포기하고 다른 것을 시도해야 하는지에 대한 질문이 남아 있습니다.

에피소드를 듣고 자세히 알아보기 '끈이론은 가치가 있는가? (파트 6: 아마도 이것을 테스트해야 할 것입니다)' Ask A Spaceman 팟캐스트에서 아이튠즈 그리고 웹에서 http://www.askaspaceman.com . John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T에게 감사드립니다. ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. 이 작품으로 이어진 질문에 대해! #AskASpaceman을 사용하거나 Paul을 팔로우하여 Twitter에서 자신만의 질문을 하세요. @PaulMattSutter 그리고 facebook.com/PaulMattSutter .

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