2020 년 노벨 물리학상은 로저 펜 로즈 (Roger Penrose), 라인 하트 젠젤 (Reinhart Genzel), 안드레아 가즈 (Andrea Ghez)에게 공동으로 수상하여 우주에서 가장 신비 롭고 컴팩트 한 대상 인 블랙홀에 대한 우리의 이해에 기여했습니다. Genzel과 Ghez는 우리 은하의 중심에서 초대형 소형 대상을 발견하기 위해 물리학에서 가장 유명한 상을 받았다고 주장하는 반면, 나중에 우리가 알게 될 대상은 나중에 Sagittarius a (sgr a*)로 명명 된 초대형 블랙홀이었습니다.
노벨은 1965 년 논문을 바탕으로 펜로즈에 수여된다. 이것뿐만 아니라; 그러나 특정 질량의 몸의 경우, 특이점으로의 붕괴는 단지 가능하거나 가능성이 없었습니다. 붕괴가 중단 될 수 없다면, 펜로즈는 특이성 형성이 불가피하다고 주장했다.
Penrose가 일반 상대성 이론에서 수학적으로 블랙홀이 수학적으로 나타나는 것을 보여 주었다는 사실은 일반 상대성 이론의 개발자 - 시공간의 직물을 암시하는 기하학적 중력 이론을 고려할 때 훨씬 더 혁명적 인 것처럼 보일 수 있습니다.
1955 년 4 월 아인슈타인이 사망 한 지 10 년이 지난 후 펜로즈가 일반 상대성의 수학의 결과로 특이점이 형성되었으며 이러한 특이성이 블랙홀의 '심장'역할을한다는 것을 보여 주었던 것은 10 년이 지났다. Penrose는이 중심 - 중력 - 중력에서 외부 우주에 전시 된 모든 물리 법칙이 적용을 중단했다고 주장했다.
1965 년 1 월에 출판 된이 논문 - Penrose가 박사 학위를받은 지 8 년 만에 캠브리지 대학교 (University of Cambridge) -‘중력 붕괴와 시공간 특이점’은 여전히 아인슈타인 자신의 이후 일반 상대성에 대한 두 번째로 가장 중요한 기여로 널리 알려져 있습니다.
그러나 Penrose는 수학적으로 일반 상대성 이론을 끊고 특이점을 발견 한 최초의 물리학자가 아니 었습니다. 그럼에도 불구하고, 그의 Penrose Singularity 정리는 여전히 일반 상대성 역사에서 유역 순간으로 간주됩니다.
내용
- 1 블랙홀 :두 가지 특이점 이야기
- 2 블랙홀 출산
- 3 똑바로 마음에 :센트 단수의 불가피성
- 4 블랙홀의 해부학
- 5 독창적 인 연구 및 추가 읽기
블랙홀 :두 가지 특이점 이야기
블랙홀은 일반적으로 두 가지 특이점을 가진 것으로 간주됩니다. 좌표 단수와 '실제'중력 특이점. Penrose의 작업은 실제 특이점과 관련하여 좌표 특이점과 달리 영리한 좌표 측정으로 제거 할 수 없었기 때문에 이름이 지정되어 있습니다.
그렇다고해서 좌표 특이점이 중요하지 않거나 기각하기 쉽다는 의미는 아닙니다. 실제로, 당신은 이미 다른 이름 인 이벤트 지평에도 불구하고 좌표 특이점에 매우 익숙 할 수 있습니다. 이 경계는 블랙홀로 정의 된 공간 영역이 시작되는 지점을 표시하여 빛이 더 이상 탈출 할 수없는 한계를 묘사합니다.
이 사건의 발견은 1915 년 아인슈타인의 일반 상대성 이론 이론이 첫 번째 출판 된 직후에 일어났다. 1916 년, 1916 년, 제 1 차 세계 대전 천체 물리학 자 Karl Schwarzschild에서 동부 전선에서 봉사하면서 Schwarzschild 솔루션을 개발 한 Schwarzschild 솔루션을 개발했다. 이 솔루션의 흥미로운 특징 중 하나 - 좌표 특이점.
좌표 특이점 - 종종 Schwarzschild Radius ( rs)로 세 번째 공식 이름을 사용합니다. r =rs =2gm/c²에서 모든 거대한 몸에 대해 존재합니다. 이것은 신체의 탈출 속도가 빛조차도 피해를 피할 수없는 지점을 나타냅니다. 대부분의 우주 바디의 경우 Schwarzschild 반경은 자체 반경 ( r ). 예를 들어, 태양의 rs 중심에서 약 3km의 반경에서 발생합니다. 전체 반경은 0.7 백만 km입니다.
따라서, Schwarzschild 반경 또는 이벤트 수평선은 조명 트래핑 표면의 경계를 나타냅니다. 먼 관찰자는이 표면의 가장자리에서 이벤트가 발생하는 것을 볼 수 있었지만, 그 경계를 넘어서는 경우 - 어떤 신호도 우리의 관찰자에게 도달 할 수 없습니다. 그러나 표면에 떨어지는 관찰자는이 경계에 대해 아무것도 눈치 채지 못할 것입니다.
rs 의 통과 수익이없는 포인트를 표시 함에도 불구하고 그들에게 가을의 자연스러운 부분이 될 것입니다. 먼 관찰자에게… 중력 적색 편이 현상 덕분에 표면이 얼어 붙고 붉은 색이 될 것입니다. 또한 이벤트 수평선이 때때로 무한 붉은 편이의 표면이라고도합니다.
블랙홀의 정의는 중력 붕괴 중에 표면 이이 경계 안에 있다는 거대한 몸체입니다. 그러나이 붕괴가 계속된다면 어떻게해야합니까? 블랙홀의 중심에 중앙 특이점에 도달 할 때 - r =0 수학적으로 기울어 진?
블랙홀 출생
Penrose와 다른 연구자들은 일반 상대성 이론의 방정식이 신체가 완전한 중력 붕괴를 겪을 가능성을 열어 놓고 거의 무한한 밀도의 지점으로 축소되어 블랙홀이된다는 것을 발견했습니다.
그러나이를 위해서는 일련의 한계에 도달하고 초과해야합니다. 예를 들어, 행성은 그들이 가지고있는 덩어리가 일관된 원자들 사이의 전자기 반발을 극복하기에는 불충분하기 때문에이 중력 붕괴를 겪을 수 없습니다. 따라서 안정성을 부여합니다.
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마찬가지로, 태양과 같은 평균 크기의 별도 중력 붕괴에 저항력이 있어야합니다. 이 태양 질량 범위의 별 중심에서 발견되는 혈장은 완전한 붕괴로부터 보호하는 납 밀도의 대략 10 배인 것으로 여겨지지만, 핵 공정과 방사선 압력만으로 발생하는 열 압력은 낮은 점에서 중간 질량 안정성의 별을 보장하기에 충분할 것이다.
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연료 부족으로 인해 핵 반응이 중단 된 더 오래되고 진화 된 별의 경우. 다른 이야기입니다. 특히 그들이 태양보다 10 배 더 큰 질량을 가지고 있다면
1920 년대 초에 작고 밀집된 별 (흰색 난쟁이 별)은 퇴행성이라는 양자 역학으로 인해 발생하는 현상에 의해 붕괴에 대한지지를 받았다.
이 '퇴행성 압력'은 Pauli 배제 원칙에서 발생하며, 전자와 같은 페르미온은 동일한 '양자 상태'를 차지하는 것이 금지되어 있다고 말합니다. 이로 인해 Subrahmanyan Chandrasekhar라는 물리학 자가이 보호의 상한이 있는지 의문을 가졌습니다.
1931 년에 Chandrasekhar는 태양의 질량의 1.4 배 이상이 하얀 난쟁이가 더 이상 퇴행 압력에 의한 중력 붕괴로부터 보호되지 않을 것을 제안했습니다. 이 경계를 넘어서는 의심 할 여지없이 Chandrasekhar 한계라고 불리는 중력은 Pauli 배제 원칙과 중력 붕괴를 압도합니다.
1932 년에 중성자의 발견 (원자 핵에서 양성자의 중립 파트너)은 러시아 이론가 Lev Landau를 이끌었습니다. 이 별의 바깥 부분에는 중성자가 풍부한 핵이 포함되어 있으며, 내부 섹션은 대부분 중성자로 구성된 '양자-유체'로 형성됩니다.
.다시 말하지만, 중성자 별은 퇴행 압력에 의해 중력 붕괴로부터 보호 될 것입니다. 이번에는이 중성자 유체가 제공합니다. 이 외에도, 전자와 비교할 때 중성자의 질량이 더 커지면 중성자 별이 붕괴되기 전에 더 큰 밀도에 도달 할 수 있습니다.
이것을 원근법으로 표현하기 위해, 태양의 질량을 가진 흰색 난쟁이는 우리 별의 양의 백만 분의 1을 가질 것으로 예상됩니다. 그래도 비슷한 질량의 중성자 별이지만 반경은 약 20km입니다. 대략 도시의 크기입니다.
1939 년까지 로버트 오펜 하이머 (Robert Oppenheimer)는 중성자 별에 대한 질량 제한이 태양의 질량의 대략 3 배가 될 것이라고 계산했다. 그 한계 이상 - 다시, 중력 붕괴가 승리합니다. Oppenheimer는 또한 일반적인 상대성 이론을 사용 하여이 붕괴가 먼 관찰자에게 어떻게 보이는지 설명했습니다. 그들은 붕괴가 무한히 오랜 시간이 걸리는 것으로 간주 할 것입니다.이 과정은 별의 표면이 Schwarzschild 반경을 향해 줄어들면서 느리고 얼어 붙는 것처럼 보입니다.
.똑바로 심장 :센트 단수의 불가피성
Penrose의 경우,이 완전한 붕괴로 인한 블랙홀의 핵심에 대한 물리적 특이점의 수학적 증거로는 충분하지 않았습니다. 그는 그곳에서 발생할 시공간에 대한 특이점과 영향을 보여주고 싶었습니다. 그는‘가벼운 콘’을 사용하여 지오 디스 (Geodesic)를 타고 끊임없이 직선으로 사용했습니다. 그 과정에서 그는 블랙홀의 해부학을 공개했다.
빛의 원뿔은 단일 이벤트에 의해 생성되고 모든 방향으로 여행하는 빛의 플래시가 시공간을 통해 걸리는 경로로 가장 간단하게 설명됩니다. 라이트 콘은 물리학자가 인과 적으로 연결될 수있는 사건을 계산할 때 특히 유용 할 수 있습니다. 라이트 콘에 맞는 두 이벤트 사이에서 선을 그릴 수 없다면, 하나는 다른 하나를 일으킬 수 없었습니다.
우리는 라이트 폰에서 나오는 선을 '세계-라인'-중앙 이벤트에서 원뿔의 상단을 통해 다이어그램의 미래 부분으로 이동합니다. Worldline은 이벤트에 의해 Lightcone의 원점에서 생성 된 입자 또는 신호의 가능한 경로를 보여줍니다. 블랙홀에 가벼운 원뿔을 던지는 것은 왜 이벤트 지평을 통과하는 것이 중심 특이점과 합병이 불가피하다는 것을 의미 하는지를 보여줍니다.
Penrose는 가벼운 원뿔이 접근하여‘커 블랙홀’으로 알려진 이벤트 지평을 통과했을 때 발생하는 일을 고려했습니다. 이것은 차전하지 않고 회전하는 블랙홀입니다. 각도 운동량은 연구원들이 프레임 드래그를 부르는 효과에서 우실과 함께 공간을 드래그합니다.
블랙홀과는 거리가 멀어지면 빛은 어떤 방향 으로든 똑같이 쉽게 이동할 수 있습니다. 여기의 라이트 콘은 이것을 나타내는 전통적으로 대칭적인 외관을 가지고 있습니다.
그러나 정적 한계를 향해 (블랙홀이 그와 함께 공간을 끌기 시작하는 지점) 라이트콘은 특이점과 회전 방향과 좁은 방향으로 기울어지기 시작합니다. 따라서 정적 한계는 빛이 더 이상 어떤 방향 으로든 이동할 수없는 지점을 나타냅니다. 블랙홀의 회전에 반대하지 않는 방향으로 움직여야합니다. 이 한계의 입자는 더 이상 여전히 앉을 수 없습니다. 따라서 이름 정적 한계입니다.
그러나 드래그 효과가 너무 강력하다는 사실에도 불구하고 여기서 빛조차도 저항 할 수없고 신호는이 영역을 피할 수 있습니다.이 사건의 지평은 아니지만 회전 방향으로 여행하면 그렇게 할 수 있습니다.
.흥미롭게도 펜로즈는 정적 한계로 들어가서 두 개의 별도 입자로 붕괴되는 입자가 펜로즈 공정으로 알려진 블랙홀에서 에너지 침출을 초래할 수 있지만 다른 시간 동안 논의 할 수 있다고 제안합니다.
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우리의 빛 콘이 이벤트 지평을 향해 움직일 때 좁아지기 시작합니다. 그러나이 경계를 통과 할 때 특별한 일이 발생합니다. 한 번은 '블랙홀 내부'적절한 소위 Swartzchild 좌표를 사용하는 한, 라이트 콘은 옆으로 뒤집 히고 원뿔의 '미래 끝'이 특이점을 향해 지적되었습니다.
이것은 그 사건의 월드 라인에 대한 한 가지를 의미 할 수 있으며, 그 특이점과의 만남이 피할 수 있다는 중심 특이점 신호를 지적합니다.
블랙홀의 해부학
블랙홀은 구조가 특히 복잡하지 않으며 3 가지 속성 (질량, 전하 및 각 운동량) 만 가지고 있지만 가벼운 원뿔과 함께 일하는 물리학 자들은 해부학의 층을 결정할 수 있었고 결정적으로 그 안에 존재하는 경계 표면을 결정할 수있었습니다.
이것은 펜스의 개념에 대한 혁명적 인 것이 었습니다.
블랙홀이 처음으로 이미지화되었고 중력파가 그러한 물체의 합병에서 일상적으로 측정되기 시작한 시대에서 이것을 되돌아 보면 펜 로즈의 발견의 중요성을 과소 평가하지 않는 것이 중요합니다.
.실질적인 발전을 둘러싼 블랙홀을 꿈꾸기 전에 Roger Penrose는 블랙홀의 존재를 제안 할뿐만 아니라 해부학에 대한 토대와 즉각적인 환경에 미치는 영향을 제공하기 위해 수학적 근거를 제공했습니다.
.따라서 Penrose의 Nobel Award는 추측의 영역에서 과학 이론에 이르기까지 이러한 대상을 옮기는 것을 인정하는 것으로 보일 수 있습니다.
독창적 인 연구 및 추가 읽기
펜로즈. R.,‘중력 붕괴 및 시공간 특이점’, 물리 검토 편지, vol. 14, Issue 3, pp. 57-59, [1965]
펜로즈. R.,‘현실로가는 길’, Random House, 2004
Senovilla. J. M. M., Garfinkle. G.,‘1965 년 Penrose Singularity Theorem, 고전 및 양자 중력, [2015].
상대성, 중력 및 우주론, Robert J. Lambourne, Cambridge Press, 2010.
상대성, 중력 및 우주론 :기본 소개 , Ta-Pei Cheng, Oxford University Press, 2005.
극한 환경 천체 물리학, Ulrich Kolb, Cambridge Press, 2010.
적격 진화 및 핵 합성, Sean G. Ryan, Andrew J. Norton, Cambridge Press, 2010.
우주론, Matts Roos, Wiley Publishing, 2003.
