중력에 대한 새로운 이론은 오랫동안 추구해 온 만물 이론에 중요한 한 걸음 더 다가갔습니다.

마침내 중력을 다른 근본적인 힘, 즉 전자기력과 강력, 약력으로 통합하는 통합 이론이 눈앞에 다가왔습니다. 중력을 우리 안에 끌어들이는 것은 여러 세대에 걸쳐 물리학자들의 목표였으며, 그들은 현대 물리학의 두 초석인 양자장론과 아인슈타인의 중력 이론의 상충성을 조화시키려 애써 왔습니다.

알토 대학교 연구진은 입자 물리학의 표준 모형과 양립하는 방식으로 중력을 설명하는 새로운 양자 중력 이론을 개발하여 우주의 기원에 대한 이해를 넓혔습니다. 이론 물리학의 세계는 실제 적용 기술과는 동떨어진 것처럼 보일 수 있지만, 이번 발견은 매우 놀랍습니다. 현대 기술은 이러한 근본적인 발전을 기반으로 구축되었습니다. 예를 들어, 스마트폰의 GPS는 아인슈타인의 중력 이론 덕분에 작동합니다.

미코 파르타넨과 유카 툴키는 최근 물리학 발전 보고서(Reports on Progress in Physics)에 게재된 논문에서 새로운 이론을 설명했습니다. 주저자인 파르타넨은 이 연구 결과가 몇 년 안에 중요한 이해를 제공할 것으로 예상합니다.

'만약 이것이 중력의 완전한 양자장 이론으로 이어진다면, 결국 블랙홀과 빅뱅의 특이점을 이해하는 매우 어려운 문제에 대한 답을 줄 것입니다.'라고 그는 말합니다.

파르타넨은 "자연의 모든 근본적인 힘을 일관되게 설명하는 이론을 종종 만물 이론(Theory of Everything)이라고 부릅니다."라고 말하지만, 자신은 이 용어를 사용하는 것을 좋아하지 않습니다. "물리학의 몇 가지 근본적인 질문은 아직 풀리지 않은 채 남아 있습니다. 예를 들어, 현재의 이론들은 관측 가능한 우주에 반물질보다 물질이 더 많은 이유를 아직 설명하지 못하고 있습니다."

화해할 수 없는 것을 화해시키다

핵심은 적절한 게이지 이론, 즉 입자들이 특정 장을 통해 서로 상호작용하는 이론으로 중력을 설명하는 방법을 찾는 것이었습니다. 툴키는 "가장 익숙한 게이지 장은 전자기장입니다. 전기적으로 대전된 입자들이 서로 상호작용할 때, 이들은 전자기장을 통해 상호작용하는데, 이것이 바로 적절한 게이지장입니다."라고 설명합니다. "따라서 에너지를 가진 입자들이 있다면, 단지 에너지를 가졌다는 이유만으로 일어나는 상호작용은 중력장을 통해 일어날 것입니다."

물리학자들이 오랫동안 직면해 온 과제는 전자기력, 약핵력, 강력이라는 세 가지 기본 힘에 대한 게이지 이론과 양립할 수 있는 중력 게이지 이론을 찾는 것입니다. 입자 물리학의 표준 모형은 이 세 가지 힘을 설명하는 게이지 이론이며, 특정한 대칭성을 가지고 있습니다. 이 연구의 주저자인 파르타넨은 "중력 게이지 이론의 핵심은 일반 상대성 이론의 시공간 대칭성과는 매우 다른 종류의 대칭성에 기반하는 대신, 표준 모형의 대칭성과 유사한 대칭성을 갖는 것입니다."라고 말합니다.

그러한 이론이 없다면 물리학자들은 우리의 가장 강력한 두 이론, 양자장론과 일반 상대성 이론을 조화시킬 수 없습니다. 양자 이론은 매우 작은 입자들이 확률적으로 상호작용하는 세계를 설명하는 반면, 일반 상대성 이론은 익숙한 물체들과 그 중력적 상호작용으로 이루어진 더 큰 세계를 설명합니다. 이 두 이론은 서로 다른 관점에서 우리 우주를 묘사하며, 두 이론 모두 놀라운 정밀도로 검증되었습니다. 하지만 서로 양립할 수는 없습니다. 더욱이 중력적 상호작용이 약하기 때문에, 고전 이론인 일반 상대성 이론을 넘어 진정한 양자 중력 효과를 연구하려면 더 높은 정밀도가 필요합니다.

파르타넨은 "중력장과 고에너지가 존재하는 상황에서 어떤 현상이 발생하는지 이해하려면 중력에 대한 양자 이론이 필요합니다."라고 말합니다. 이러한 조건은 블랙홀 주변과 빅뱅 직후의 초기 우주에서 나타나며, 기존 물리학 이론이 더 이상 통하지 않는 영역입니다.

물리학의 매우 중요한 질문들에 늘 매료되었던 그는 중력 이론에 대한 새로운 대칭 기반 접근법을 발견하고 툴키와 함께 그 아이디어를 더욱 발전시키기 시작했습니다. 그 결과 탄생한 연구는 마치 중력에 대한 이해가 GPS 개발의 토대를 마련했던 것처럼, 과학적 이해의 완전히 새로운 시대를 열 잠재력을 지니고 있습니다.

과학계에 대한 공개 초대

이 이론은 유망해 보이지만, 두 사람은 아직 증명을 완료하지 못했다고 지적합니다. 이 이론은 재정규화라는 기술적 절차를 사용하는데, 이는 계산 과정에서 나타나는 무한대를 처리하는 수학적 방법입니다. 파르타넨과 툴키는 지금까지 이 방법이 특정 지점, 즉 소위 '1차' 항까지는 유효함을 보였지만, 전체 계산 과정에서 무한대를 제거할 수 있는지 확인해야 합니다. 툴키는 "재정규화가 고차 항에서 작동하지 않으면 무한대 결과를 얻게 됩니다. 따라서 이 재정규화가 계속 유효함을 보여주는 것이 중요합니다."라고 설명합니다. "아직 완전한 증명을 해야 하지만, 성공할 가능성이 매우 높다고 생각합니다."

파르타넨도 동의합니다. 그는 앞으로 아직 어려움이 남아 있지만, 시간과 노력을 투자하면 극복할 수 있을 것이라고 말합니다. "언제쯤 될지는 모르겠지만, 몇 년 안에 훨씬 더 많은 것을 알게 될 거라고는 확신합니다."

현재 그들은 이론을 그대로 발표하여 나머지 과학계가 이 이론에 익숙해지고, 결과를 확인하고, 더욱 발전시키고, 이를 바탕으로 확장할 수 있도록 했습니다.

파르타넨은 "양자역학과 그 이전의 상대성 이론과 마찬가지로 우리의 이론도 과학자들이 탐구할 수 있는 수많은 길을 열어주기를 바란다"고 결론지었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250505121800.htm