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상대성이론과 양자역학이 충돌한 이유

상대성이론 양자역학

물리학과 천체물리학에서 가장 위대한 두 이론인 상대성이론과 양자역학은 우리가 우주를 이해하는 데 필수적인 역할을 해왔습니다. 아인슈타인의 상대성이론은 거시적인 세계(중력과 시공간)를 설명하지만, 양자역학은 미시적인 세계(원자와 소립자)를 다루고 있죠… 그런데 문제는, 이 두 이론이 서로 충돌한다는 것입니다. 오늘은 왜 상대성이론과 양자역학이 충돌한 이유를 알아볼게요

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상대성이론과 양자역학의 핵심 원리 🔍

상대성이론
✔️ 시간과 공간은 절대적이지 않다 – 아인슈타인의 특수 상대성이론은 속도가 증가할수록 시간이 느려지고, 공간이 수축한다고 설명합니다.
✔️ 중력은 시공간의 곡률 – 일반 상대성이론에서는 중력을 단순한 힘이 아니라 시공간의 휘어짐으로 해석합니다.
✔️ 거시적 세계에서 정확한 예측을 제공 – 블랙홀, 중력파, GPS 시스템까지 현실에서 검증된 이론입니다.

양자역학
✔️ 입자들은 확률적으로 행동한다 – 전자가 특정 위치에 존재하는 것이 아니라, 확률적으로 ‘어디에 있을 가능성이 있는가’를 설명하는 것이 양자역학입니다.
✔️ 입자는 동시에 여러 상태일 수 있다 – 슈뢰딩거의 고양이 실험처럼 입자는 측정 전까지 중첩(superposition) 상태에 있을 수 있습니다.
✔️ 불확정성 원리 – 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면, 어떤 입자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수 없습니다.

이 두 개념을 보면 하나는 시공간을 연속적인 것으로 해석하고, 다른 하나는 확률과 불확정성에 기반한다는 차이가 있죠.

상대성이론과 양자역학이 충돌한 이유 🚨

1. 중력과 양자역학은 함께 설명되지 않는다

양자역학은 자연의 4가지 힘(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력) 중에서 중력만을 제외한 나머지를 성공적으로 설명합니다. 상대성이론에서는 중력을 시공간의 곡률로 설명하지만, 양자역학에서는 중력도 입자로 설명하려고 합니다(중력자, Graviton).

❗ 하지만, 두 이론을 결합하면 무한대가 나오는 등 수학적으로 모순이 발생합니다. 모든것은 수학으로 표현이 가능한데 모순이 발생하면서 부터 물리학자들은 머리가 깨지기 시작합니다..

2. 블랙홀 내부를 설명할 수 없다

상대성이론에 따르면 블랙홀 중심에는 특이점(Singularity)이 존재하며, 이곳에서는 중력이 무한대가 됩니다. 그런데 양자역학적으로 보면, 무한대라는 개념은 존재할 수 없으며, 모든 값은 유한해야 합니다.

❗ 즉, 블랙홀 내부에서 상대성이론과 양자역학이 서로 상반된 결과를 내놓습니다. 머리가 띵…

3. 시간과 공간의 개념이 다르다

상대성이론에서는 시간과 공간이 연속적이지만,
양자역학에서는 최소 단위(플랑크 길이, 10^-35m)가 존재합니다.

❗ 즉, 상대성이론에서는 시공간이 매끄러운 곡선이지만, 양자역학에서는 시공간이 불연속적일 수 있습니다.

과학자들은 어떻게 해결하려고 할까? 🧐

과학자들은 상대성이론과 양자역학이 충돌한 이유를 해결하기 위해 여러 가지 시도를 하고 있습니다.

✔️ 끈 이론(String Theory) – 입자를 점이 아니라 진동하는 ‘끈’으로 가정하면 중력도 양자적으로 설명할 수 있습니다. 애드워드 위튼 물리학자가 세계적으로 유명하다고 합니다.
✔️ 루프 양자중력 이론(Loop Quantum Gravity) – 시공간 자체가 양자화되어 있다는 이론입니다.
✔️ 양자 중력(Quantum Gravity) 연구 – 블랙홀 내부나 빅뱅 순간을 이해하려는 연구가 활발하게 진행 중입니다.