양자역학의 의미
모든 에너지 규모에서 이 이론들을 뒤섞는 것의 많은 어려움은 이 이론들이 우주의 어떻게 작용하는지에 대해 만들어낸 다른 가정들에서 비롯되었다. 일반상대성이론은 중력을 시공간 곡률로 모델링한다. 슬로건으로, "시공간은 어떻게 움직이는지 가르쳐준다" 반면 양자이론은 일반적으로 특수상대성이론에 쓰이는 평시 공간에서 공식화된다. 양자역학에 의해 모델링 된 물질 역학이 시공간 곡률에 영향을 미치는 일반적인 상황을 설명하는 데 성공한 이론은 아직 없다. 중력을 단순히 다른 양자역학에서 다루려 한다면 그 결과론도 정규화할 수 없다. 공간 시간의 곡률이 우선되는 간단한 경우에도 양자역학론을 개발하는 것은 수학적으로 더 어려워져 물리학자들이 평시 공간에서 양자장 이론에 사용하는 많은 아이디어는 더 이상 적용할 수 없다. 양자의 중력이론이 블랙홀의 행동과 우주의 기원과 같은 매우 높은 에너지와 아주 작은 차원의 문제를 이해하기를 널리 바라고 있다. 중력 탐사선 B(Gravity Probe B, GP-B)는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 적용하여 관련 모델을 테스트하기 위해 지구 근처의 시공간 곡률을 측정했다. 중력을 제외한 모든 기본 힘이 하나 이상의 알려진 전달 입자를 가지고 있다는 관찰은 연구자들이 중력을 위해 적어도 하나는 존재해야 한다고 믿게 한다. 이 가상의 입자는 중력자로 알려져 있다. 이 입자들은 전자기 상호작용의 광자와 유사한 힘 입자로 작용한다. 가벼운 가정 하에서 일반 상대성 이론은 상호 작용하는 이론적인 스핀-2 질량 없는 입자의 양자역학적 설명을 따라야 한다. 1970년대 이후 받아들여진 물리학의 통일 이론의 많은 개념들은 중력의 존재를 가정하고 어느 정도 의존한다. 와인버그-위튼 정리(Weinberg-Witten theorem)는 중력자가 복합입자인 이론에 일부 제약을 가한다. 중력에 대한 양자역학적 설명에서 중력자는 중요한 이론적 단계이지만, 그들은 일반적으로 너무 약하게 상호작용하기 때문에 감지할 수 없다고 여겨진다.
일반상대성이론은 전자기학과 마찬가지로 고전적인 분야 이론이다. 전자기학과 마찬가지로 중력도 그에 상응하는 양자장 이론을 가져야 한다고 예상할 수 있다. 그러나 중력은 섭동적으로 정규화될 수 없다. 양자역학 이론이 피사체에 대한 이러한 이해에 의해 잘 정의되기 위해서는 점근적으로 자유 또는 점근적으로 안전해야 한다. 이 이론은 원칙적으로 실험에 의해서 설정될 수 있는 매우 많은 매개변수의 선택에 의해서 특징지어져야 한다. 예를 들어, 양자 전기역학에서 이러한 매개 변수는 특정 에너지 규모로 측정되는 전자의 전하와 질량이다.
한편, 중력을 정량화함에 있어서 섭동 이론에는 이론 정의에 필요한 무한히 많은 독립된 매개변수(대역 계수)가 있다. 주어진 매개변수 선택에서 이론은 이해할 수 있지만, 모든 매개변수 값을 수정하기 위해 무한 실험을 실시하는 것은 불가능하기 때문에 섭동 이론에서 의미 있는 물리적 이론을 가지고 있지 않다고 주장되어 왔다. 낮은 에너지에서, 리 노멀화 그룹의 논리는 이러한 무한히 많은 매개변수의 알려지지 않은 선택에도 불구하고, 양자 중력은 일반적인 아인슈타인 일반 상대성 이론으로 저하된다고 말하고 있다. 반면, 만약 우리가 양자 효과를 지배하는 매우 높은 에너지를 조사할 수 있다면, 무한히 많은 알려지지 않은 모든 매개변수들이 문제가 되기 시작할 것이고, 우리는 전혀 예측할 수 없을 것이다.
정확한 양자역학 이론에서 무한히 많은 알려지지 않은 매개변수가 유한한 숫자로 감소하여 측정될 수 있음을 상상할 수 있다. 한 가지 가능성은 정상 섭동 이론이 이론의 정상화를 위한 신뢰할 수 있는 지침이 아니며, 중력에 대한 UV 고정점이 실제로 존재한다는 점이다. 이는 비침습 양자장 이론의 문제이기 때문에 점근 안전성 프로그램에서 추구되는 신뢰할 수 있는 답을 찾는 것은 어렵다. 또 다른 가능성은 매개변수를 제약해 유한 집합으로 축소하는 발견되지 않은 새로운 대칭 원칙이 있는 것이다. 이것은 문자열 이론에 의해 취해진 경로이며, 문자열의 모든 흥분은 본질적으로 새로운 대칭으로 나타난다.
이론으로서의 양자 중력
효과적인 현장 이론에서 논하다. 정규화된 이론의 무한 변수 집합 중 처음 몇 개를 제외한 모든 변수는 거대한 에너지 척도에 의해 억제되므로 낮은 에너지 효과를 계산할 때 무시할 수 있다. 따라서 적어도 저 에너지 체제에서 모델은 양자장 이론을 예측하는 것이다. 또 많은 이론가들은 표준모형이 큰 에너지 척도로 억제되어 결국 그 영향이 실험적으로 관찰되어 "더 이상 정상화될 수 없는" 상호작용과 함께 효과적인 현장 이론 그 자체로 간주된다고 주장한다. 일반상대성이론을 가지고 있다면 효과의 장 이론은 적어도 저능력에 대해서는 말할 수 있다 양현상은 양자 중력의 정당한 예측을 한다. 예로는 두 질량 사이에 고전적인 뉴턴의 중력 전위를 1차 양자-기계 보정을 하는 낯익은 계산이다.
-끈이론
아원자 세계에서의 상호작용: 표준모형에서 점과 같은 입자의 세계선 또는 끈이론에서 닫힌 끈으로 둘러싸인 세계 시트의 세계선, 문자열 이론은 닫힌 문자열 간의 상호작용이 동적 방식으로 시공간을 발생시키는데, 점 입자 대신 문자열과 같은 객체가 고정된 시공간 배경으로 전파되는 양자장 이론의 일반화로 볼 수 있다. 끈이론은 양자중력이 아닌 쿼크 구속 연구에서 유래했지만 끈 스펙트럼은 중력을 포함하고 있어 끈의 특정 진동 모드 응축은 원래 배경의 수정과 같다는 사실이 곧 밝혀졌다.
순환 양자 중력은 배경 독립 양자 이론을 공식화하기 위한 노력의 성과다.
위상학적 양자장 이론은 배경 독립 양자 이론의 예를 제공하지만, 부분적 자유도는 없다. 경계에는 다만 많은 자유도가 있을 뿐이다. 상대성이론에 따라 국부적 자유도를 갖는 '3+1' 차원에서 중력을 설명하기엔 적합하지 않다. 하지만 2+1 단계에서 중력은 위상장 이론으로 회전 네트워크를 포함한 다양한 방법으로 정량화에 성공했다.
-반클래식 양자 중력
완전한 중력 양자 이론은 아니지만 곡선(민코프스키 안 이외의) 배경에 대한 양자장 이론은 많은 유망한 초기 결과를 보여주었다. (물리학자들이 고전 전자기장에서 양자역학을 고려했던) 20세기 초의 양자 전기역학의 발전과 유사한 방식으로, 곡선 배경에 대한 양자장 이론의 고려는 블랙홀 복사와 같은 예측을 이끌어냈다.
제안된 양자 중력에 관한 많은 이론들이 있다. 현재, 중력에 대해 완전하고 일관된 양자 이론은 아직 존재하지 않으며, 후보 모델은 여전히 주요한 형식과 개념적인 문제를 극복해야 한다. 또한 이들은 아직 양자중력 예측을 실험 테스트에 넣을 방법이 없지만 우주학적 관측과 입자물리학 실험의 장래 데이터를 이용할 수 있게 되고 이것이 변화할 희망이 있다.
양자 중력 효과는 매우 약하기 때문에 시험하기가 어렵다. 이러한 이유로, 양자 중력을 실험적으로 시험할 가능성은 1990년대 후반 이전에 큰 주목을 받지 못했다. 하지만, 지난 10년 동안, 물리학자들은 양자 중력 효과에 대한 증거가 이론의 발전을 이끌 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이론 개발이 더디다 보니 실험 실험 가능성을 연구하는 현상학적 양자중력 분야가 주목을 받았다. 양자 중력 현상학에서 가장 널리 추구되는 가능성으로는 로렌츠 불변성의 위반, 우주 마이크로파 배경(특히 그것의 양극화)에서의 양자 중력 효과의 각인, 시공간 폼의 변동에 의해 유발되는 불연속성 등이 있다. ESA의 적분 위성은 서로 다른 파장의 광자의 편광도를 측정하여 플랑크 척도 아래의 10μμm 이하 또는 13배 크기의 공간에 한계를 둘 수 있었다. BICEP2 실험은 초기 우주의 중력파에 의해 발생된 초기 B-모드 양극화라고 생각되는 것을 탐지했다. 이 신호가 사실 원초적이라면, 양자 중력 효과를 나타내는 것일 수 있지만, 그것은 곧 성간 먼지 간섭에 의한 양극화라는 것을 보여주었다. 위에서 설명한 바와 같이 양자중력효과는 매우 약하기 때문에 시험이 어렵다. 이런 이유로 사고 실험은 중요한 이론적 도구가 되고 있다. 양자 중력의 중요한 측면은 스핀과 시공 간의 결합 문제와 관련이 있다. 스핀과 시공간이 결합되는 것이 예상되지만 이 결합의 정확한 특성은 현재 알려져 있지 않다. 특히, 가장 중요한 것은 양자 스핀이 중력을 어떻게 발생시켜 단일 스핀 하프 입자 공간 시간의 정확한 특성이 무엇인지 알 수 없다는 점이다. 이 질문을 분석하기 위해 양자 정보의 맥락에서 사고 실험이 제안되었다.
전자기학적 상황에서 장(場)의 각 주파수별 에너지를 나타내는 양자 중력은 이산 스펙트럼을 갖는다. 따라서 각 주파수의 에너지가 계량화되고 급멸기는 광자(光子)다. 중력에 대해서는 각 표면이나 공간 영역의 면적과 부피를 나타내는 연산자도 이산 스펙트럼을 갖고 있다. 그래서 공간의 모든 부분의 면적과 부피도 계량화된다. 여기에서 쿤타는 공간의 기본 양자이다. 둘째, 시공간은 플랑크 눈금부터 양자 길이 이론의 자외선을 차단하는 기본 양자 세분화 구조를 갖고 있다.
공간 시간의 양자 상태는 스핀 네트워크라고 불리는 수학적 구조를 이론으로 설명한다. 스핀 네트워크는 처음에는 로저 펜 로스가 추상적인 형태로 도입하였고, 이후에는 일반 상대성 이론인 비침습적 양자화로부터 자연스럽게 캐럴로 로버를 도출하기 위해리와 리스 모린이 표시를 했다. 스핀 네트워크는 시공간에서의 양자적 상태를 지시하지 않고 시공간에서 직접 양자적 상태를 나타낸다. 이 이론은 애슈 터 변수로 알려진 일반 상대성 이론의 재구성에 기초하여 전기장과 자기장의 수학적 유사성을 이용하여 기하학적 중력을 나타낸다. 양자 이론에서 공간은 네트워크 구조로 표현되며, 이를 자전적 네트워크라고 한다. 사이의 추이로 공간은 다른 단계로 진화했다. 그 이론의 역학은 오늘날의 몇 가지 판본으로 구성되어 있다. 하나의 판본은 일반 상대성 이론의 표준 계량화로 시작된다. 슈뢰딩거 방정식의 유사점은 휠러 디베이트 방정식이 될 수 있고 이론에서 정의될 수 있다.