[과학] swampland 와 landscape

최근[지지난주?] 한 지인으로 부터 재미있는 이야기를 들었다. 나는 그 친구와 만나 이야기를 나누는 것을 좋아한다. 내가 관심있는 물리에 대한 많은 이야기는 그 친구에게 나왔으니 ㅎㅎ [나는 종종 수학 이야기를 하곤 하는데...;]

아무튼 써스킨드의 팬(?)인 나는 그의 우주의 풍경 책을 통해 landscape 이론을 접했는데 그 친구가 최근에 물리학자 vafa 에 의해 landscape 이론에 대한 반박(?)으로 swampland 이론이란 것이 등장했다고 전해왔다! 관련 글 -[과학, 잡담] 과학과 종교 //인류원리 // Feat 빅뱅이론

이게 먼 말인가? 일단 swampland 는 우리말로 늪이란 뜻이고 landscape 란 말은 풍경이라는 뜻이다.

이 swampland 라는 것이 존재해 landscape를 둘러싸고 있고, 이 것이 finite 한 우주를 도출(?) 할 것이라고, 그는 흥분한(!?) 상태로 소리를 질러댔다.

이 말을 잘 표현하는 슬라이드 한장을 구글링 끝에 찾았다.

일단 그 친구가 흥분한 이유를 알기 위해선 landscape 이론과 swampland 이 말하는 바를 알아야 한다. 전문적인 이야기인데 나도 그 친구에게 한번 듣고 찾은 바를 정리해 보았다.

양자중력을 기술하는 초중력 혹은 초끈이론은 일반적으로 고차원의 이론(10,11,12)이다.
이를 저 차원(실제로는 우리가 살고 있는 4차원의 시공간)의 유효장론(effective field theory)[표준모형을 포함하는 이론을 말한다] 으로 기술하기 위해 소위 말하는 조밀화(compactification- 4차원 이외의 다른 여분 차원을 조그만 사이즈로 마는 과정을 말한다] 을 하다보면 대략 10^{1000}개의 vacuum 이 등장하고 이때 등장한 엄청난 수의 vacuum (우주)를 landscape 라고 한다.

예전에 썻던 글 [과학] 우주의 시작과 인플레이션 이론 // Beginning of the Universe 일부

or

위키-String theory landscape의 칼라비 야우 관련 섹션

좀 전문적으로 말하면 이러한 landscape, 을 기술하는 척도, vacuum은 어떤 초중력/초끈이론에서 시작했고 그 이론에서 보존되는 supercharge 가 몇개이며 어떤 공간에 어떤 방식으로 compactification을 하였느냐 에 달려 있다. [이 것에 의해 vacuum 의 갯수(?)가 결정된다. 이런 supercharge 가 compactification 과정에서 얼마나 보존되는가가 핵심이다.]

이는 어떤 compactification manifold 를 선택하느냐, 혹은 flux 나 brane 을 추가하느냐 아니냐로 정해지는데 칼라비 야우 공간(CY_3)만 생각해도 저렇게 많은 경우의 수가 나오니...

참고로 IIB 에서 등장한 12차원의 F-theory 를 4차원으로 flux compactification 을 사용하면 대략 10^{272000} 개의 vacuum, 전에 적었던 숫자보다 엄청나게 많은 수의 우주가 나온다. ㄷㄷ

그래서 인지 이 landscape 이론을 부정적으로 바라보는 사람들이 꽤 있다.
일단 그 많은 우주 중에는 분명 서로 정확히 같은 것도 있을 것이고, 또 서로 대칭(dual) 이 되는 것도 있을 것이다, 엄청나게 많은 경우의 수 중에 일일이 경우를 제거해 나가기란 쉽지가 않다. 또 저 많은 이론들을 모두 다 조사하는 것은 무의미하다.

그래서 많은 연구자들은 4차원의 유효한 이론 (유효장론-Effective field theory) 로부터 거꾸로 높은 차원의 이론을 생각하기 시작했다. 끈이론을 연구하는 사람들은 주로 끈 이론만이 유일하게 재규격화가 되는 중력이론( 좀 더 엄밀하게는 UV completion- short distance 즉 high energy 도 잘 기술 가능) 생각하기에 그들은 그 4차원의 유효장론을 10차원, 11차원, 혹은 12차원 까지 올리는 시도를 하고 있다.

이러한 연구들에 많은 우주론 학자와 끈이론 학자들이 뛰어들어 수행하고 있다.

이런 상황에 vafa 가 찬물을 끼얻는 이론, 가설을 제시한 것이다.

바로 늪지대, swampland 이론 혹은 conjecture!

Swampland 는 비교적 최근 등장한 이론으로 일관적 있는(여기에서 consistent 란 말은 standard model 을 포함한다는 의미인듯) 저에너지 물리 모델이지만 궁극적으로 중력과 상호작용을 하지 않는 이론을 말한다.

원문을 그대로 쓰자면

The set of low energy physics models which look consistent but ultimately are not when coupled to gravity, is called the "swampland"

그리고 vafa 와 그의 동료 연구자들은 이러한 swampland 의 조건들을 연구하기 시작했다.

현재 대략적으로 10가지 정도의 기준이 있다.

이 중에 특히 문제가 되는 것은 바로 마지막 기준! [위 사진은 vafa 의 논문 목차의 일부이다. ]

왜 이것이 논란이 되냐, 바로 앞에 캡쳐했던 예전의 글 내용을 가져와보자

저 positive cosmological constant 를 갖는 vacuum 이 바로 de Sitter(dS) 우주인데, swampland 가설에서 아예 저러한 초끈이론에서 dS 우주는 swampland 에 있는 우주라고 주장해버리니까..

저 swampland 로 인해 ㄷㄷ 프린스턴의 우주론 연구하는 그룹들과 현재 전쟁(?)/토론(?) 이 일어나고 있다고 한다.

사실 KKLT 라는[4 사람 이름의 약자] 이론에서는 internal manifold 에 anti D-3 brane 을 도입하여 dS-like 우주를 기술한다. 논문 링크

2003년도 논문으로 이 이후로 10년 넘게 이 dS cosmology 가 선풍을 불었다고 한다.

그런데 이를 반박하는 주장을 내세웠으니!!!

ㅋㅋㅋㅋ

친구 왈 지금은 이게 대세다! 그래서 내가 대세를 따라갈거냐고 물었더니 아니란다.

ㅋㅋㅋ

힘들다며 그래도 잘 사네 ㅋㅋㅋ 근데 패러다임이 계속 바뀌는 것 같은데 역시 수학이 킹왕짱이 아닌가? ㅋㅋㅋ 이번엔 수학 친구들을 좀 만나봐야 하나 ㅋㅋㅋ [그럼 그래프 이론과 정수론 글만 왕창 올라올려나 ㅋㅋㅋ 아 대수기하 애도 있긴 있었지 ㅋㅋ 빠지면 섭섭해하려나 ]

p.s.

아아닛! 그 친구한테 연락이 왔다!

최근에 반대편 쪽에서 반박 논문이 나왔다고!

Kallosh 와 Linde[KKLT 의 K 와 L 이다]가 Vafa, Ooguri 랑 불붙었네!!!

나는 싸움 구경을 하는 입장이라 ;; ㅋㅋ