새로운 수학적 분석에 따르면 양자 속성(quantum property)은 공간과 시간이 어떻게 발생했는지 설명하는 열쇠가 될 수 있다.
우주를 뒷받침하는 시공간 구조보다 더 기본적인 것을 생각하기는 어렵지만 이론 물리학자들은 이 가정에 의문을 제기해 왔다. 일본 RIKEN 학제간 이론 및 수학 과학(iTHEMS)의 Kanato Goto는 “물리학자들은 공간과 시간이 근본적인 것이 아니라 더 깊은 것에서 파생될 가능성에 오랫동안 매료되어 왔다”라고 말했다.
이 개념은 1990년대에 이론 물리학자 후안 말다세나(Juan Maldacena)가 시공간을 지배하는 중력 이론을 양자 입자를 포함하는 이론과 관련시켰을 때 힘을 얻었다. 특히 그는 중력에 의해 작용하는 블랙홀과 같은 물체를 담고 있는 무한한 수프 캔 또는 “벌크”와 같은 것으로 둘러싸인 것으로 묘사될 수 있는 가상의 공간을 상상했다. Maldacena는 또한 양자 역학에 의해 제어되는 캔 표면에서 움직이는 입자를 상상했다. 그는 경계의 입자를 설명하는 데 사용되는 수학적으로 양자 이론이 벌크 내부의 블랙홀과 시공간을 설명하는 중력 이론과 동일하다는 것을 깨달았다.
Goto는 “이 관계는 시공간 자체가 근본적으로 존재하지 않지만 일부 양자적 특성에서 나온다는 것을 나타낸다. 물리학자들은 핵심인 양자 속성을 이해하려고 노력하고 있다”고 말했다.
원래 생각은 양자 얽힘 즉, 입자가 얼마나 멀리 떨어져 있든 관계없이 입자를 연결하는 속성이 가장 중요한 요소라는 것이었다.
“그러나 경계에서 얽힌 정도를 고려하는 것만으로는 내부가 어떻게 성장할 수 있는지와 같은 블랙홀의 모든 속성을 설명할 수 없다”고 Goto는 설명했다.
그래서 Goto와 iTHEMS 동료인 Tomoki Nosaka와 Masahiro Nozaki는 경계 시스템에 적용할 수 있고 블랙홀을 더 완전하게 설명하기 위해 벌크에 매핑할 수 있는 또 다른 양자량을 찾았다. 특히 블랙홀은 설명이 필요한 혼돈의 특성을 가지고 있다고 지적했다.
Goto는 “블랙홀에 무언가를 던지면 그에 대한 정보가 뒤죽박죽이 되어 복구할 수 없다. 이 뒤섞임은 혼돈의 발현”이라고 말했다.
연구팀은 일반적인 고전(비양자) 컴퓨터를 사용하여 양자 상태를 시뮬레이션하는 것이 얼마나 어려운지에 대한 수학적 척도를 발견했다. 그들의 계산은 카오스 시스템에서 거의 모든 상태가 시뮬레이션하기 가장 어려운 상태로 진화한다는 것을 보여주었다.
이것은 양자 속성과 블랙홀의 혼란스러운 특성 사이의 첫 번째 직접적인 연결 고리를 제공한다.
Goto는 “이 발견은 양자 마법이 시공간의 출현에 강력하게 관련되어 있음을 시사한다”고 말했다.
연구는 Physical Review D 저널에 게재됐다.
