양자 역학에서 다양한 사고 실험의 사랑하는 인물 인 Alice와 Bob은 교차로에 있습니다. 모험적이고 오히려 무모한 앨리스는 매우 큰 블랙홀에 뛰어 들어 아마도 이벤트 지평 밖에서 잊혀진 밥을 남겨두고 있습니다.
일반적으로 물리학 자들은 블랙홀이 충분히 크면 Alice가 수평선을 건너면 특이한 것을 눈치 채지 못할 것이라고 가정했습니다. 이 시나리오에서 "드라마 없음"이라고 불리는이 시나리오에서, 중력 세력은 단수라는 블랙홀 내부의 지점에 접근 할 때까지 극단적이지 않을 것입니다. 그곳에서, 중력 당김은 그녀의 머리보다 발에 훨씬 더 강해서 앨리스가“스파게티드”될 것입니다.
.이제 새로운 가설은 가난한 앨리스에게 그녀가 거래 한 것보다 더 많은 드라마를주고 있습니다. 의심의 여지가없는 앨리스가 이벤트 호라이즌을 넘어서서이 대안이 정확하다면, 그녀는 그 자리에서 그녀를 소각 할 거대한 불의 벽을 만날 것입니다. 이것이 앨리스에게는 불공평 한 것처럼, 시나리오는 또한 이론 물리학에서 세 가지 소중한 개념 중 하나 이상이 잘못되어야한다는 것을 의미 할 것이다.
이번 여름 앨리스의 불 같은 운명이 제안되었을 때, 물리학 자들 사이에서 격렬한 논쟁이 시작되었으며, 그 중 많은 사람들이 회의적이었습니다. 버클리의 캘리포니아 대학교의 물리학 자 라파엘 부스 소는“나의 초기 반응은‘농담해야한다’였다. 그는 강력한 반론이 빠르게 나타나고 그 문제를 쉬게 할 것이라고 생각했다. 대신, 그 주제에 대해 토론하는 논문이 번쩍 거린 후, 그와 그의 동료들은 이것이 강력한 훌륭한 역설의 제작을 가지고 있음을 깨달았습니다.
‘지옥의 메뉴’
물리학의 역설은 주요 문제를 명확하게하는 방법이 있습니다. 이 특정 퍼즐의 중심에는 많은 물리학 자들이 사랑하는 세 가지 기본 가정 사이의 갈등이 있습니다. 첫 번째, 일반 상대성 이론의 동등성 원리에 근거하여 드라마 시나리오는 드라마 시나리오로 이어집니다. 앨리스는 수평선을 가로 질러 자유 낙하에 있기 때문에 자유 낙하와 관성 운동 사이에는 차이가 없기 때문에 중력의 극단적 인 영향을 느끼지 않아야합니다. 두 번째 가정은 단일성, 양자 역학의 기본 교리와 함께 블랙홀에 빠지는 정보는 돌이킬 수 없을 정도로 잃어버린 것이 아니라는 가정입니다. 마지막으로,“정규성”으로 가장 잘 묘사 될 수있는 것은, 즉, 물리학은 블랙홀 내 어느 시점에서, 단수화 또는 이벤트 지평에서 나온 경우에도 블랙홀에서 멀리 떨어져있는대로 작동한다는 것이 있습니다.
.이 개념은 함께 Bousso가 "지옥에서 메뉴"라고 부르는 것을 구성합니다. 역설을 해결하려면 세 가지 중 하나를 희생해야하며 아무도 도끼를 가져야 할 것에 대해 아무도 동의 할 수 없습니다.
물리학 자들은 시간이 지남에 따른 가정을 가볍게 포기하지 않습니다. 그렇기 때문에 많은 사람들이 불의 벽의 개념을 완전히 유해한 것을 발견합니다. 캘리포니아 기술 연구소의 John Preskill은 이달 초 Stanford University의 Leonard Susskind가 주최 한 비공식 워크숍에서 선언했습니다. 이틀 동안, 50 명 정도의 물리학 자들은 활기 넘치는 브레인 스토밍 세션에 종사하여 모든 종류의 미친 아이디어를 버리고 역설을 해결하려고 노력하고, 빠른 발사 탭 탭 탭 블랙 보드에 방정식이 긁히는 방정식. 그러나 집단적 분노에도 불구하고 방화벽의 가장 치열한 쇠약 자조차도 아직 수수께끼에 대한 만족스러운 해결책을 찾지 못했습니다.
산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교 (University of California)의 문자열 이론가 인 조셉 폴친 스키 (Joseph Polchinski)에 따르면, 가장 간단한 해결책은 이벤트 수평선에서 동등성 원칙이 분해되어 방화벽을 일으킨다는 것입니다. Polchinski는 Ahmed Almheiri, Donald Marolf 및 James Sully와 함께 모든 것을 시작한 논문의 공동 저자입니다. Polchinski조차도 아이디어가 조금 미쳤다고 생각합니다. 방화벽이 가장 급진적 인 잠재적 솔루션이라는 문제의 곤경에 대한 증거입니다.
방화벽 인수에 오류가있는 경우 실수는 분명하지 않습니다. 이것이 좋은 과학적 역설의 특징입니다. 그리고 이론가들이 새로운 도전에 배가 고프지 않은시기에옵니다. 대형 Hadron Collider는 표준 모델을 넘어 이국적인 물리학에서 힌트를 차지하지 못했습니다. Polchinski는“데이터가 없으면 이론가들은 역설에서 번성합니다.
Susskind에 따르면 AMP가 잘못되면 물리학을 강력한 양자 중력 이론으로 향하게하는 것은 정말 흥미로운 방식으로 잘못되었습니다. 블랙홀은 물리학 자에게 흥미 롭습니다. 결국 일반 상대성과 양자 역학은 우주의 나머지 부분과 달리 적용 할 수 있기 때문에, 대상은 아 원자 규모의 양자 역학과 거대 검사의 일반적인 상대성에 의해 적용될 수 있기 때문입니다. 두 개의“규칙 서적”은 각자의 정권에서 충분히 잘 작동하지만 물리학 자들은 그것들을 블랙홀과 같은 이상과 연장하여 우주의 기원에 빛을 비추는 데 결합하고 싶어 할 것입니다.
.얽힌 역설
문제는 복잡하고 미묘합니다. 단순하다면 역설이 없을 것입니다. 그러나 AMPS 논쟁의 상당 부분은 일부일처 양자 얽힘의 개념에 달려 있습니다. 한 번에 한 종류의 얽힘 만 가질 수 있습니다. 앰프는“지옥에서 온 메뉴”에 대한 세 가지 가정 모두가 사실이되기 위해서는 두 가지 종류의 얽힘이 필요하다고 주장한다. 양자 역학의 규칙은 두 가지 얽힘을 모두 가질 수 없으므로 세 가지 가정 중 하나를 희생해야합니다.
Albert Einstein이“거리에서 짜증나는 행동”으로 조롱 한 얽힘 (intanglement)은 양자 역학의 잘 알려진 특징입니다 (사고 실험에서 Alice와 Bob은 얽힌 입자 쌍을 나타냅니다). 아 원자 입자가 충돌하면 물리적으로 분리 될 수 있지만 보이지 않게 연결될 수 있습니다. 멀리서도 불가분의 관계가 있고 단일 물체처럼 작동합니다. 따라서 한 파트너에 대한 지식은 다른 파트너에 대한 지식을 즉시 공개 할 수 있습니다. 캐치는 한 번에 하나의 얽힘 만 가질 수 있다는 것입니다.
Caltech의 Quantum Frontiers 블로그에서 Preskill이 설명한 것처럼 Classical Physics에서 Alice와 Bob은 동일한 신문의 사본을 가지고 동일한 정보에 액세스 할 수 있습니다. 이 종류의 유대를 공유하면 "강하게 상관 관계가 있습니다". 세 번째 사람인“Carrie”는 또한 해당 신문의 사본을 구입할 수 있으며,이 신문의 사본을 구입할 수 있습니다.이 신문은 포함 된 정보에 동등하게 액세스 할 수있게되므로 Alice와의 상관 관계를 약화시키지 않으면 서 Bob과 상관 관계가 있습니다. 실제로, 많은 사람들이 같은 신문의 사본을 사서 서로 밀접하게 상관 관계가있을 수 있습니다.
그러나 양자 상관 관계가있는 경우에는 그렇지 않습니다. Bob과 Alice가 최대로 얽히게 되려면 각각의 신문이 오른쪽 위, 거꾸로 또는 옆으로 동일한 방향을 가져야합니다. 방향이 동일하다면 Alice와 Bob은 동일한 정보에 액세스 할 수 있습니다. Preskill은“고전 신문을 읽는 한 가지 방법과 양자 신문을 읽는 많은 방법이 있기 때문에 양자 상관 관계는 고전적인 상관 관계보다 강합니다. 그것은 밥이 앨리스와의 얽힘을 희생하지 않고 앨리스와 마찬가지로 캐리와 함께 캐리와 강하게 얽히는 것을 불가능하게 만듭니다.
.블랙홀과 관련된 두 가지 이상의 얽힘이 있기 때문에 이것은 문제가되고, Amps 가설 아래 두 사람은 갈등이 발생합니다. 앨리스 인 관찰자 인 앨리스와 외부 관찰자 인 밥 사이에는 드라마를 보존해야합니다. 그러나 물리학의 또 다른 유명한 역설에서 나온 두 번째 얽힘도 있습니다. 1970 년대에 Stephen Hawking은 블랙홀이 완전히 검은 색이 아니라는 것을 깨달았습니다. 밥의 관점에서 이벤트 지평선을 넘어서 앨리스에게는 아무것도 오지 않을 수 있지만,이 지평선은 석탄 덩어리처럼 빛나는 것처럼 보일 것입니다.
이 방사선은 가상 입자 쌍이 블랙홀 근처의 양자 진공에서 튀어 나오는 것입니다. 일반적으로 그들은 충돌하고 에너지로 멸종시킬 것이지만 때로는 쌍 중 하나가 블랙홀에 빨려 들어가고 다른 하나는 외부 세계로 탈출합니다. 블랙홀의 질량은이 효과에 대항하기 위해 약간 감소하고 에너지가 여전히 보존되도록 보장하고 점차적으로 존재하지 않도록해야합니다. 증발이 얼마나 빨리 블랙홀 크기에 따라 다릅니다. 더 클수록 더 느리게 증발합니다.
호킹은 일단 방사선이 완전히 증발하면 해당 방사선에 포함 된 블랙홀의 내용에 대한 정보가 손실 될 것이라고 가정했습니다. "하나님은 주사위를 연주 할뿐만 아니라 때로는 볼 수없는 곳으로 던져서 우리를 혼란스럽게합니다."라고 그는 유명하게 선언했습니다. 그와 Caltech 물리학 자 Kip Thorne은 1990 년대에 모호한 Preskill과 함께 블랙홀에서 정보가 손실되는지 여부에 대해 베팅했습니다. Preskill은 정보가 보존되어야한다고 주장했다. 호킹과 토른은 정보가 손실 될 것이라고 믿었습니다. 물리학 자들은 결국 블랙홀이 증발함에 따라 호킹 방사선은 이벤트 수평선 외부 지역과 점점 더 얽히게되어야한다는 것을 깨달았습니다. 밥이 방사선을 관찰하면 정보를 추출 할 수 있습니다.
그러나 밥이 앨리스가 이벤트 지평을 넘어 지나간 후 앨리스와의 정보를 비교한다면 어떻게됩니까? Bousso는“이것은 비참한 일이 될 것입니다. 외부 관찰자 인 Bob은 호킹 방사선에서 동일한 정보를보고 있기 때문에 그것에 대해 이야기 할 수 있다면 양자 제록싱이 될 것입니다. 이는 양자 역학에서 엄격하게 금지되어 있습니다.”
.Susskind가 이끄는 물리학 자들은 Alice와 Bob이 각각의 정보를 공유하는 것이 불가능한 한 블랙홀의 두 관점 사이의 불일치가 괜찮다고 선언했습니다. 상보성이라는이 개념은 단순히 단일 관찰자가 이벤트 지평의 내부와 외부에있을 수 없기 때문에 직접 모순이 없다고 간단히 주장합니다. Alice가 이벤트 호라이즌을 건너면 그 반경 안에서 별을보고 Bob에 대해 말하고 싶어한다면 일반 상대성 이론은 그녀가 그렇게하지 못하게하는 방법이 있습니다.
Quantum Xeroxing에 의지하지 않고 정보를 복구 할 수 있다는 Susskind의 주장은 2004 년에 Hawking이 Preskill과의 베팅을 인정했으며 후자는 야구 백과 사전을 제시 한 것으로 충분히 확신했다. 그러나 인정을 거부 한 Thorne은 아마도 완고 할 권리가있었습니다.
Bousso는 방화벽 역설을 해결하기 위해 상보성이 다시 구조에 올 것이라고 생각했습니다. 그는 곧 그것이 충분하지 않다는 것을 깨달았습니다. 상보성은 특정 문제를 해결하기 위해 개발 된 이론적 개념, 즉 이벤트 수평선 내부 및 외부의 관찰자의 두 관점을 조정하기 위해 개발되었습니다. 그러나 방화벽은 이벤트 수평선 밖에서 가장 작은 비트로 Alice와 Bob을 동일한 관점을 제공하므로 상보성은 역설을 해결하지 못할 것입니다.
.양자 중력을 향해
그들이 방화벽을 없애고 드라마를 보존하고 싶다면, 물리학 자들은이 독특한 상황에 맞는 새로운 이론적 통찰력을 찾거나 아마도 호킹이 옳았으며 정보가 실제로 상실되었음을 인정해야합니다. 즉, Preskill은 그의 백과 사전을 반환해야 할 수도 있습니다. 따라서 스탠포드 워크숍에서 동료들이 정보 손실 가능성을 재고한다고 제안한 것은 놀라운 일이었습니다. 우리는 단일성이없는 양자 역학을 이해하는 방법을 모르겠지만“이것이 할 수 없다는 것을 의미하지는 않습니다.”라고 그는 말했습니다. “거울을보고 스스로에게 물어보세요 :나는 단가에 내 인생을 베팅할까요?”
Polchinski는 설득력있게 앨리스와 밥이 드라마를 보존하기 위해 얽히게되어야한다고 주장하며, 양자 정보를 보존하기 위해 이벤트 지평 외부 지역과 얽히게되어야합니다. 하지만 둘 다 가질 수 없습니다. 이벤트 지평선 외부 지역과 호킹 방사선의 얽힘을 희생하면 정보가 손실됩니다. 앨리스와 밥의 얽힘을 희생하면 방화벽을 얻습니다.
Polchinski는“Quantum Mechanics는 두 가지 모두가 허용되지 않습니다. “앨리스 (Alice)와 나가는 (밥) 관찰자 사이의 얽힘을 잃으면, 수평선의 양자 상태에 날카로운 꼬임을 넣었습니다. 당신은 어떤 의미에서 유대를 깨뜨 렸으며, 깨진 유대는 에너지가 필요합니다. 이것은 방화벽이 거기에 있어야한다는 것을 알려줍니다.”
Quanta 잡지의 David Kaplan, Petr Stepanek 및 Mk12; Steven Gutheinz의 음악
비디오 : David Kaplan은 이론 비디오에서 블랙홀 물리학과 양자 중력 문제를 탐구합니다.
그 결과는 이벤트 수평선 외부 영역과 호킹 방사선 사이의 얽힘이 블랙홀이 증발함에 따라 증가해야한다는 사실에서 비롯됩니다. 질량의 약 절반이 방출되면 블랙홀은 최대로 얽히고 본질적으로 중년의 위기를 경험합니다. Preskill은 다음과 같이 설명했습니다.“우리가 블랙홀 안에서 깊은 곳에서 찾을 것으로 예상되는 특이점이 블랙홀이 늙었을 때 이벤트 지평까지 바로 삐걱 거리는 것처럼 보입니다.” 그리고 특이점과 이벤트 수평선 사이의 충돌의 결과는 두려운 방화벽입니다.
블랙홀 내 깊은 곳에서 이벤트 호라이즌으로 이동하는 특이점의 정신적 이미지는 스탠포드 워크숍에서 적어도 하나의 분노한 폭발을 불러 일으켰으며, Bousso는 이해할 수 있음을 발견했습니다. "우리는 화를 내야한다"고 말했다. "이것은 일반적인 상대성에 대한 끔찍한 타격입니다."
그러나 방화벽에 대한 그의 모든 회의론에 대해서는 토론의 일부가되어 기쁩니다. "이것은 아마도 물리학에 들어간 이후로 나에게 일어난 가장 흥미로운 일일 것"이라고 그는 말했다. "확실히 가장 좋은 역설이며, 그 일을하게되어 기쁩니다."
.방화벽에 의한 앨리스의 죽음은 물리학에서 고전적인 사고 실험의 순위에 합류 할 것으로 보인다. 물리학 자들이 Quantum Gravity에 대해 더 많이 알게 될수록 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 현재 그림과는 다른 것으로 보이며, 과학적 진보의 제단에 대한 소중한 믿음을 희생하도록 강요합니다. 이제 그들은 단일성 또는 드라마를 희생하거나 양자 필드 이론의 급진적 수정을 수행해야합니다. 아니면 모두 끔찍한 실수 일 수도 있습니다. 어떤 식 으로든, 물리학 자들은 새로운 것을 배우게됩니다.
