18 세기 후반, 과학자 존 미첼은 별이 너무 거대하고 그 중력이 너무 강해서 탈출 속도가 빛의 속도와 동등 할 경우 어떤 일이 일어날 지 숙고했다. 그는 방출 된 빛이 안쪽으로 방향을 바꾸어 스타를 보이지 않는다고 결론 지었다. 그는이 가상의 대상을 어두운 별이라고 불렀다.
Michell의 1784 년 논문은 1970 년대에 재 포장 될 때까지 조용한 모호함에 시달렸다. 그때까지 이론적 물리학 자들은 블랙홀에 대해 잘 알고있었습니다. 어두운 별 아이디어는 알버트 아인슈타인의 중력 이론으로 번역되었습니다. 블랙홀에는 리턴이없는 지점뿐만 아니라 단수, 무한 밀도의 점을 나타내는 이벤트 수평선이라는 경계가 있습니다.
그러나 아인슈타인의 세계에 대한 묘사는 양자 역학과 일치하지 않으며 물리학 자들은 양자 중력의 완전한 이론을 추구하여 두 사람을 조정합니다. 문자열 이론은 또 다른 잠재적 인 그림을 제시하는 주요 경쟁자입니다. 블랙홀은 특이점이없고 이벤트 지평이없는“퍼즈 볼”으로 재구성 될 수 있습니다. 오히려, 이벤트 수평선으로 구상 된 내의 전체 영역은 끈으로 묶인 줄의 공입니다. 현악 이론이 시공간과 그 안에있는 모든 힘과 입자를 일으키기 위해 다양한 복잡한 방법으로 진동한다고 말하는 기본 단위. 이벤트 수평선 대신, 퍼즈 볼에는 "퍼지"표면이 있으며 별이나 행성의 표면과 더 비슷합니다.
오하이오 주립 대학의 현악기 이론가 인 Samir Mathur는 Fuzzballs가 블랙홀에 대한 진정한 양자 설명이며 자신의 자신의 설명 된“퍼즈 볼 추측”의 보컬 챔피언이되었다고 생각합니다. 그의 Fuzzballs 버전은 블랙홀, 그리고 궁극적으로 우리 우주의 나머지 부분에 대한 고전적이고 양자 설명을 조정하는 데 따른 문제를 해결하는 잠재적 메커니즘을 제공합니다. 그러나 그것을 작동시키기 위해, 물리학 자들은 독창성과 사건 지평에 대한 오랜 개념을 포기해야 할 것입니다. 많은 사람들이 만들고 싶지 않습니다.
.누락 된 엔트로피
Mathur의 작업은 블랙홀의 양자 적 특성을 계산하려는 시도와 하나에 속하는 정보에 대한 역설을 해결하기위한 지속적인 투쟁에서 비롯되었습니다. 두 가지 문제는 1970 년대에 스티븐 호킹의 주장에서 블랙홀이 진정으로 흑인이 아니라고 주장했다. 양자 역학의 단점으로 인해 소량의 열 (“호킹 방사선”이라고 불리는 소량의 열을 방출하여 온도가 있습니다. 블랙홀에 온도가있는 경우, 엔트로피가 있어야하며, 종종 주어진 시스템에 얼마나 많은 장애가 존재하는지에 대한 척도로 설명됩니다. 모든 물리적 물체에는 엔트로피가 있으며 열역학 제 2 법칙에 따라 엔트로피가 항상 증가해야합니다. 그러나 일반 상대성 이론에 의해 묘사 된 블랙홀의 부드럽고 특징없는 그림은 엔트로피를 설명하지 않으며, 이는 양자 기계적 설명의 주요 특징입니다.
물체의 엔트로피는 마이크로 스테이트로 설명됩니다. 동일한 거시적 대상을 달성하기 위해 원자가 재 배열 될 수있는 방법의 수입니다. 스크램블 에그의 원자가 겉보기에 무한한 방식으로 움직일 수 있기 때문에 스크램블 에그는 끊임없는 달걀보다 엔트로피를 가지고 있습니다. 대조적으로, 끊임없는 계란의 뚜렷한 노른자와 흰색은 원자 수준의 재 배열 가능성을 제한합니다.
블랙홀은 열역학 법칙에서 면제되지 않습니다. 산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교의 물리학자인 조셉 폴친 스키 (Joseph Polchinski)는“엔트로피는 [가능한] 원자 상태를 세는 것에서 비롯됩니다. "따라서 블랙홀은 셀 수있는 상태를 가진 일종의 원자 구조를 가져야합니다." 문제는 하나의 블랙홀이 수천 개의 스크램블 에그보다 훨씬 더 많은 상태를 가지고 있다는 것입니다. 해당 규모의 엔트로피를 측정하는 데 필요한 계산은 정말 어려운 일입니다. 그러나 1972 년 Jacob Bekenstein이 고안된 공식을 사용하여 국가의 수를 유추 할 수있는 것은 블랙홀의 엔트로피가 주변의 이벤트 지평의 크기에 비례하는 것을 보여 주었다.
.정의상, 우리는 가능한 상태를 계산하기 위해 블랙홀 내부를 볼 수 없습니다. 그러나 문자열 이론의 맥락에서 블랙홀의 원자 구조는 원자와 마찬가지로 여러 가지 방식으로 배열 될 수있는 문자열과 밀기의 형태로 제공됩니다. 우리는 베켄 슈타인의 공식에 의해 발견 된 것과 동일하도록 엔트로피가 블랙홀 내에서 어떻게 배열 될 수 있는지 상상할 수 있습니다.
물리학 자들은 이러한 계산을 수행하기 위해 다양한 조정 가능한 장난감 모델을 사용해야합니다. Polchinski는“블랙홀이 더 이상 검은 색이 아닌 끈 이론으로 돌릴 수있는 '노브'가 있으며 [문자열과] 내부에서 볼 수 있습니다. 이 중력이없는 모델은 마이크로 스테이트를 계산할 수있게합니다. 그러나 일단 중력이 다시 켜지면 모든 것이 다시 검은 색입니다. 대조적으로 Mathur의 퍼즈 볼 추측은 중력을 배제하지 않는 모델의 마이크로 스테이트 수를 계산할 수 있습니다.
남부 캘리포니아 대학교의 현악 이론가 인 Nick Warner의 관점에서, 퍼즈 볼은 독창성이나 이벤트 수평선이없는 중성자 스타보다 블랙홀과 비슷합니다. 중성자 별은 물질이 너무 단단히 뭉개 질 때 생성 된 반발력에 대한 존재를 빚지고있어 개별 전자가 동일한 양자 상태를 차지하도록 강요 당했다.
문자열 이론은 비슷한 메커니즘을 가지고 있다고 Warner는 말이없는 전자 대신 외부 압력을 제공합니다. 퍼즈 볼 표면에 떨어지는 줄은 더 크고 복잡한 줄을 형성합니다. 고유의 장력으로 인해 줄이 더 긴 가닥을 형성하기 위해 끈이 더 길어지면 더 넓은 직경으로 확장하는 것이 더 쉬운 기타 줄보다 긴 기타 줄을 뽑는 것이 더 쉽습니다. 그들은“퍼프”로 특이점을 방지하기에 충분한 외부 압력을 제공합니다. 워너는“새로운 물질 상태로의 위상 전이에 의해 블랙홀의 형성을 방지한다”고 말했다. 간단한 퍼즈 볼 모델에서 마이크로 스테이트의 수를 계산함으로써 베켄 슈타인 (Bekenstein)이 계산 한 엔트로피와 일치 할 수 있습니다.
Mathur가 정확하고 그의 퍼즈 볼 추측이 누락 된 엔트로피를 설명 할 수 있다고해도 악명 높은 블랙홀 정보 역설의 멍청한 문제를 해결하지 못합니다.
수평선 문제
Mathur의 퍼즈 볼 추측은이 역설에 대한 그의 오랜 매력, 매혹적인 방사선의 또 다른 결과에 대한 진화를 빚지고 있습니다. 호킹은 양자 역학에 따르면 빈 공간의 진공 청소기조차도 진정으로 비어 있지 않다고 지적했다. 그것은 양자 분야의 에너지로 펄싱되어, 얽힌 가상 입자 쌍 (물질과 반물질, 또는“Alice”및“Bob”을 생성하여 일반적으로 생각 실험에서 호출됩니다. 가상 입자 쌍이 지속적으로 존재하고 멸절됩니다. 그러나 그러한 가상 입자 쌍이 블랙홀의 이벤트 지평에서 존재한다면, 쌍 (Alice)의 절반이 소멸되기 전에 떨어질 수 있으며, 다른 (Bob)를 밖으로 남겨 둘 수 있습니다. 블랙홀이 방사선을 방출하는 것처럼 보일 것입니다.
밥 입자가 사라지면 블랙홀의 전체 질량이 감소합니다. 충분한 시간이 주어지면 존재에서 윙크 할 것입니다. 이런 일이 발생한다면, 이전에 블랙홀에 빠진 재료에 포함 된 정보도 사라지는 것처럼 보이며, 정보가 보존되어야하는 양자 역학의 기본 법칙을 위반했습니다. 따라서 중력 법칙은 양자 역학의 법칙을 위반하는 것으로 보이는 상황을 예측합니다. 물리학 자들은 40 년 동안 역설에 대해 싸웠습니다. Polchinski는 Hawking의 원래 전제에 대해 말했다. “‘양자 역학이 수정되었습니다. 내 실수를 찾으십시오.”아무도 그의 실수를 찾지 못했습니다.”
Mathur는 역설을 두 가지 주요 요소로 끓입니다. 첫 번째는 이벤트 수평선의 영역이 구조가없는 진공 상태라는 일반 상대성의 주장입니다. 그렇게 생각해야 할 좋은 이유가 있습니다. 수평선에 배치 된 먼지, 가스 또는 기본 입자는 블랙홀에 속해야하며, 이전과 동일한 진공 상태를 남겨 두어야합니다.
.그러나 이것은 역설의 두 번째 요소를 일으킨다. 수평선에 진공이 발생하면 매혹 된 방사선이 있어야하며 시간이 지남에 따라 블랙홀이 증발해야한다. 워너는“지평선을 만드는 순간, 호킹 정보 문제가 있습니다. 그렇기 때문에 Mathur는 블랙홀에 결국 머리카락이 있어야한다고 주장합니다. 블랙홀에 빠지는 정보를 보존하는 수단을 제공하기 때문에 수평선에는 구조가 있어야합니다.
Quanta 잡지의 David Kaplan, Petr Stepanek 및 Mk12; Steven Gutheinz의 음악
비디오 : 이 2 분짜리 비디오는 블랙홀이 일반 상대성과 양자 역학 사이의 명백한 모순을 비추는 방법을 보여줍니다.
퍼즈 볼은 그 구조를 제공합니다. 전통적인 블랙홀처럼 비어 있지 않습니다. 오히려, 그들은 줄로 가득 차 있습니다. 그들은 다른 별이나 행성과 마찬가지로 표면을 가지고 있습니다. 그리고 별이나 행성처럼, 그들은 방사선 형태로 열을 방출합니다. Mathur가 간단한 퍼지 볼에서 방출 된 방사선의 에너지 스펙트럼을 계산했을 때, 그는 매킹 방사선에 대한 예측과 정확히 일치하는 것을 발견했습니다. Fuzzball 추측에서 정보 역설은 환상입니다. 이벤트 지평이 없기 때문에 이벤트 지평을 넘어 정보를 잃을 수 없습니다.
그리고 블랙홀은 모두 비슷하지만 Mathur의 사고의 퍼즈 볼은 독특 할 것이며, 이론적으로 물리학 자들이 그것을 만든 초기 조건으로 퍼즈 볼을 추적하는 것이 가능합니다. 퍼즈 볼이 증발함에 따라 내부의 정보는 호킹 방사선에 인코딩되어 사라졌습니다.
퍼지 또는 불?
수평선에 구조가 있어야한다는 Mathur의 주장은 즉각적인 수용으로 만나지 못했습니다. 그러나 3 년 후, Polchinski와 3 명의 공동 저자는 관련 사고 실험을 발표했습니다. 저자들은 물리학의 세 가지 중심 개념을 확인했으며 블랙홀의 이벤트 지평에서 동시에 사실이 될 수는 없었습니다. 이 소위 방화벽 역설을 해결하기 위해 버려야합니다.
첫째, 일반 상대성에 따르면 앨리스는 블랙홀의 이벤트 지평을 건너기 때문에 드문 일이 없어야합니다. 둘째, 양자 역학은 정보를 잃어서는 안되는 것을 요구합니다. 마지막으로, 지역의 원칙은 앨리스가 직접 주변 환경에 의해 직접 영향을받을 수 있어야합니다. Polchinski와 그의 공동 저자들은 정보와 지역을 보존하기 위해서는“드라마 없음”조건을 희생해야한다고 주장했다. 이벤트 호라이즌에는 불의 고리가 있어야합니다 - 방화벽.
방화벽 역설은 이벤트 수평선에서 구조의 가능성에주의를 기울였다. Warner와 같은 현악 이론가들에게는 아이러니가 잃지 않았다. "우리는 지금 약 10 년 동안 비명을 지르고 있습니다." 그는 중앙 방화벽 논쟁이 기본적으로 몇 가지 추가 번성을 가진 Mathur의 주장이라고 주장합니다. 방화벽은 본질적으로 뜨거운 퍼즈 볼입니다. “우리는 동등성을 포기하지 않고 특이점과 수평선이 없다고 말합니다. 그것은 단지 약간의 퍼지로 캡처됩니다.”라고 그는 말했다. “방화벽은 단순히이 물건이 뜨거울 수 있다는 사실입니다. 방화벽 이야기가 어디로 가는지 궁금합니다. 내 견해는 핫 퍼즈 볼이기 때문에 그게 끝났기 때문입니다.”
.Polchinski는 자신과 그의 공동 저자가 Mathur의 이전 작업에 대한 논문이 얼마나 많은지 인식하지 않았다는 것을 자유롭게 인정합니다. 그 이후로 적절한 신용으로 개정되었습니다. 그러나 Polchinski는 방화벽 용지가 역설을 더욱 심화시켜 가장 극적인 방식으로 문제를 결정화한다고 말했다.
.일반 상대성 이론은 앨리스가 블랙홀의 이벤트 지평을 넘어서서 드문 일이 없을 것이라고 주장한다. Polchinski와 그의 공동 저자 인 Posit는 그녀가 도달하자마자 불의 벽에서 불타고 있습니다. 그녀가 퍼즈 볼에 빠지면 어떻게됩니까? 아무도 모르지만, 퍼즈 볼은 소리만큼 껴안지 않을 수도 있습니다. 산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교의 물리학 자, 방화벽 종이의 공동 저자 중 한 명인 돈 마리프 (Don Marolf)는 앨리스가 수평선에서 찢어 지거나 단순히 멍청한 표면을 때릴 수 있다고 생각했다.
또는 아마도 앨리스는 아무것도 없을 것입니다. Mathur의 최신 논문 (지난 주 과학적 사전 인쇄 사이트 Arxiv.org에 게시 된 후 아직 동료를 검토하지 않은 논문에서 그는 우주 비행사가 블랙홀에 의해 포착 될 수 있다고 주장하며, 그녀는 단순히“퍼즈 볼 보완 성”이라고 부르기 덕분에 말할 수 없을 것이라고 주장합니다. Mathur의 시나리오에서 블랙홀은 복사기와 비슷합니다. 끈으로 구성된 앨리스는 블랙홀의 표면에 부딪칩니다. 그녀의 구성 요소 문자열은 다른 사람과 결합하여 원래 문자열의 특성을 유지하는 더 긴 문자열을 형성합니다. Alice 's 끈의 대략적인 사본이 만들어집니다.
또한, 그녀가 맞을 때의 영향은 퍼지 표면이 진동하게됩니다. Mathur는 이러한 진동의 주파수 스펙트럼을 계산했으며 Alice가 알리지 않고 블랙홀의 수평선을 넘어 서면 예상되는 것과 수학적으로 동일하다는 것을 발견했습니다. Mathur는 그랜드 피아노와 전자 키보드가 사운드를 생성하기위한 매우 다른 기본 메커니즘에도 불구하고 동일한 음표를 연주하는 방법에 비유합니다. 워너는“동일한 현상 세트는 두 가지 명백한 다른 것들에 의해 묘사된다”고 말했다. 그래서 퍼즈 볼에 충돌하는 것은 "[블랙홀에] 떨어지는 것과는 크게 다를 수 없습니다."
.많은 물리학 자들은 퍼즈 볼 개념에 회의적입니다. 워너는 처음에 그들 사이에 자신을 세었다. "나는 좋은 갈릴리 인 일을했고 문제를 해결하기 위해 문제에 관여했다"고 그는 인정했다. 대신, 그는 개종자가되었습니다. 그는 Mathur의 접근 방식이 부분적으로 유리합니다. 그는 일반 상대성과 양자 역학을 함께 모으기 위해 서투르게 노력하기보다는 물리학 자들이 30 년의 현악 이론에서 배운 것을 사용하기 때문에 부분적으로 선호합니다. "우리는 40 년 동안 그렇게하려고 노력해 왔습니다." "작동하지 않습니다."
그러나 그는 그림이 불완전하다는 것을 인정합니다. 퍼즈 볼은 온도가 0 인 고도로 이상화 된 유형의 블랙홀의 장난감 모델의 맥락에서 예상되는 예측과 일치합니다. 즉, 매혹 방사선이 없으며 블랙홀이 증발하지 않으므로 정보 검색의 중요한 구성 요소입니다. 이러한 모델은 퍼즈 볼 구조에서 데이터를 인코딩하여 정보를 저장하는 메커니즘을 제공합니다. 그러나 정보 역설은“저장소와 재활용 문제이며 우리는 재활용 메커니즘이 없습니다.”라고 Warner는 말했습니다. 다음 단계는 개념을 우주에서 관찰 한 (간접적으로) 우리가 관찰 한 블랙홀과 일치하는보다 현실적인 모델로 확장하는 것입니다. "희망이 없으며 단지 어려운 일입니다."
퍼즈 볼은 또한 추가 차원이 필요하며 현악 이론이 양자 중력의 올바른 이론이라는 가정하에 휴식을 취합니다. Mathur는 여전히 그의 Fuzzball 추측이 정보 퍼즐 (적어도 현악 이론에서)과 연장에 의해 방화벽 역설을 완료한다고 주장합니다. Polchinski는“모든 베팅이 꺼져 있습니다. 모든 것이 토론을 위해 열려 있습니다.” Marolf의 경우, 그는 방화벽 옆에 서서 그것이 퍼즐을 해결하는 유일한 수단이 아니라는 것을 인정합니다. “Samir가 역설에 대한 해결책이 있다고 말하면 언어 적으로 정확합니다. 그는 또한 좋은 회사에 있습니다.”라고 Marolf는 말했습니다. “역설에 대한 결의를 가진 많은 사람들이 있습니다. 그것이 우리 우주에서 실제로 물리학이 작동하는 방식인지 여부는 여전히 남아 있습니다.”
