카네기 멜론 대학교의 물리학자인 개렛 고온 (Garrett Goon)은“물리학 자들은 극단을 조사하는 것을 좋아합니다. "더 이상 갈 수없고, 무언가가 바뀌고, 무언가가 당신을 막고 있다는 사실 - 흥미로운 일이 일어나고 있습니다."
.수십 년 동안 블랙홀은 물리학 자들이 자연의 극단을 조사하는 데 사용하는 사고 실험에서 헤드 라인 역할을 해왔습니다. 이 보이지 않는 구체는 물질이 너무 집중되어 특정 거리 내에서 모든 것이 중력에 갇히게 될 때 형성됩니다. Albert Einstein은 시공간 연속체에서 곡선과 중력의 힘을 동일시했지만 곡률은 블랙홀 중심 근처에서 극도로 자라서 아인슈타인의 방정식이 깨지는 것입니다. 따라서 세대의 물리학 자들은 진정한 양자의 무게 기원에 대한 단서에 대한 블랙홀을 보았습니다.
양자 중력에 대한 지식을위한 배관 블랙홀은 Stephen Hawking에서 시작되었습니다. 1974 년 영국 물리학자는 블랙홀의 표면에서 양자 지터가 증발하여 열을 방출함에 따라 천천히 축소 될 것이라고 계산했다. 블랙홀 증발은 그 이후로 양자 중력 연구에 정보를 제공했습니다.
보다 최근에 물리학 자들은 극단의 극단 (Extremal Black Holes)이라는 단체를 고려해 왔으며 유익한 새로운 문제를 발견했습니다.
충전 된 물건이 들어가면 블랙홀이 전기적으로 충전됩니다. 물리학 자들은 블랙홀이 "극한 한계"를 가지고 있다고 계산합니다. 이는 크기에 대해 가능한 한 많은 전하를 저장하는 포화 지점입니다. 하전 된 블랙홀이 호킹에 의해 설명 된 방식으로 증발하고 수축되면 결국이 극도의 한계에 도달합니다. 그러면 어떻게 충전 된지를 감안할 때 얻을 수있는만큼 작습니다. 더 이상 증발 할 수 없습니다.
그러나 버클리 캘리포니아 대학교의 물리학자인 그랜트 렘먼 (Grant Remmen)은“극한 블랙홀이 방사를 멈추고 그곳에 앉아있다”고 생각한다. 이 경우, 먼 미래의 우주에는 작고 파괴 할 수없는 블랙홀 잔해로 가득 차게 될 것입니다. 이 블랙홀을 보호하는 근본적인 원칙은 없으므로 물리학 자들은 영원히 지속되어야한다고 생각하지 않습니다.
Lehigh University의 Sera Cremonini는“질문이 있습니다.“이 모든 극단적 인 블랙홀은 어떻게됩니까?”
물리학 자들은 극한의 블랙홀이 쇠퇴해야하고 역설을 해결해야하지만 호킹 증발 이외의 다른 경로에 의해 강력하게 의심됩니다. 가능성을 조사하면 최근 몇 년 동안 연구원들이 양자 중력에 대한 주요 단서로 이끌었습니다.
4 명의 물리학 자들은 2006 년에 극단적 인 블랙홀이 부패 할 수 있다면, 이는 가능한 우주에서 중력이 가장 약한 힘이어야한다는 것을 암시했다. 이 결론은 극단적 인 블랙홀의 운명에 더 큰 조사를 가져 왔습니다.
그런 다음 2 년 전 캘리포니아 기술 연구소의 Remmen and Collaborators Clifford Cheung과 Junyu Liu는 극단적 인 블랙홀이 붕괴 될 수 있는지 여부가 블랙홀의 다른 주요 특성에 직접적으로 의존하는지, 즉 엔트로피 - 물체의 구성 부품이 재 배열 될 수있는 방법의 수를 측정했습니다. 엔트로피는 블랙홀에서 가장 많이 연구 된 기능 중 하나이지만 극도의 한계와 관련이없는 것으로 생각되지 않았습니다. Cheung은“와우,와, 두 가지 매우 멋진 것들이 연결되어 있습니다.
놀랍게도, 그 링크는 자연에 대한 일반적인 사실을 보여주었습니다. Physical Review Letters 에 3 월에 출판 된 논문에서 , Goon과 Riccardo Penco는 에너지와 엔트로피와 관련된 단순하고 보편적 인 공식을 입증함으로써 이전 작업의 교훈을 넓혔습니다. 새로운 공식은 가스 및 블랙홀과 같은 시스템에 적용됩니다.
최근 계산에 따르면,“당신은 실제로 양자 중력에 대해 배우고 있습니다.”라고 Goon은 말했습니다. "하지만 더 흥미로울 수 있습니다. 더 일상적인 일에 대해 배우고 있습니다."
극한의 블랙홀
물리학 자들은 충전 된 블랙홀이 극도로 한계에 도달한다는 것을 매우 쉽게보고 있습니다. 그들이 아인슈타인의 중력 방정식과 전자기 방정식을 결합하면 블랙홀의 전하 q 을 계산합니다. ,, 질량을 능가 할 수는 없다, m , 둘 다 동일한 기본 단위로 변환 될 때. 블랙홀의 질량과 전하는 이벤트 지평의 반경 인 크기를 결정합니다. 한편, 블랙홀의 충전은 또한 이벤트 지평 뒤에 숨겨져있는“내부”수평선을 만듭니다. q Q 에 이벤트가 수축되는 동안 블랙홀의 내부 지평이 확장되면 = m , 두 지평선은 일치합니다.
q 인 경우 더욱 증가하면, 이벤트 수평선의 반경은 실제 숫자가 아닌 복소수 (음수의 제곱근 포함)가 될 것입니다. 이것은 비 물리적입니다. 제임스 서기 맥스웰 (Maxwell)의 19 세기 전자기 및 아인슈타인 중력 이론의 간단한 매시업에 따르면 Q = m 한계 여야합니다.
블랙홀 이이 시점에 부딪히면 추가 붕괴를위한 간단한 옵션은 두 개의 작은 블랙홀로 나누는 것입니다. 그러나 그러한 분할이 발생하기 위해서는 에너지 보존 및 청구 보존 법칙에 따라 딸 대상 중 하나가 질량보다 더 많은 충전으로 끝나야합니다. 아인슈타인 -maxwell에 따르면 이것은 불가능하다.
그러나 Nima Arkani-Hamed, Lubos Motl, Alberto Nicolis 및 Cumrun Vafa가 2006 년에 지적한 것처럼 극단적 인 블랙홀이 두 가지로 나뉘어 질 수있는 방법이있을 수 있습니다. 그들은 아인슈타인과 맥스웰의 결합 된 방정식이 작고 강하게 구부러진 검은 구멍에 잘 작동하지 않는다고 언급했습니다. 작은 규모에서는 중력의 양자 기계적 특성과 관련된 추가 세부 사항이 더욱 중요해집니다. 이러한 세부 사항은 아인슈타인 -maxwell 방정식에 대한 수정을 기여하여 극한 한계의 예측을 변경합니다. 4 명의 물리학 자들은 블랙홀이 작을수록 수정이 더 중요 해짐에 따라 극한의 한계가 Q 에서 멀어지고 멀리 떨어져 있습니다. = m .
연구원들은 또한 보정이 부정적인 것이 아니라 긍정적 인 징후가 있다면 작은 블랙홀은 질량보다 더 많은 전하를 포장 할 수 있다고 지적했다. 그들에게는 q > m 큰 극단적 인 블랙홀이 부패하는 데 필요한 것입니다.
이 경우 블랙홀이 부패 할 수있을뿐만 아니라 Arkani-Hamed, Motl, Nicolis 및 Vafa는 자연에 대한 또 다른 사실도 다음과 같은 것을 보여주었습니다. 중력은 가장 약한 힘이어야합니다. 물체의 전하, q , 중력 이외의 힘에 대한 민감성입니다. 그것의 질량, m , 중력에 대한 민감도입니다. 그래서 q > m 중력이 둘의 약한 것을 의미합니다.
블랙홀이 부패해야한다는 가정에서, 4 명의 물리학 자들은 중력이 모든 우주에서 가장 약한 힘이어야한다는 더욱 강력한 추측을했다. 다시 말해, q 가있는 물체> m 모든 종류의 충전 Q 에 항상 존재합니다 물체가 전자와 같은 입자인지 (실제로 질량보다 훨씬 더 많은 전하를 갖는) 또는 작은 블랙홀인지 여부.
이“약한 중력 추측”은 큰 영향력이되어 양자 중력에 대한 다른 많은 아이디어에 대한 대출 지원이되었습니다. 그러나 Arkani-Hamed, Motl, Nicolis 및 Vafa는 Q > m 또는 그 극단적 인 블랙홀이 부패 할 수 있습니다. 극한 한계에 대한 양자 중력 보정은 음수 일 수 있으며,이 경우 작은 블랙홀은 단위 질량 당 큰 것보다 훨씬 적은 전하를 운반 할 수 있습니다. 극단적 인 블랙홀은 부패하지 않을 것이며 약한 중력 추측은 유지되지 않을 것입니다.
이것은 연구자들이 양자 중력 보정의 징후가 무엇인지 알아 내야한다는 것을 의미했습니다.
모든 곳에서 장애
양자 중력 보정 문제는 다른 겉보기에는 관련이없는 블랙홀 연구 라인 전에 나타났습니다.
거의 50 년 전, 후기 물리학 자 Jacob Bekenstein과 Stephen Hawking은 블랙홀의 엔트로피가 표면적에 직접 비례한다는 것을 독립적으로 발견했습니다. 일반적으로 장애의 척도로 생각되는 엔트로피는 객체의 내부 부품을 전체 상태로 변경하지 않고 재 배열 할 수있는 방법을 계산합니다. (예를 들어, 방이 지저분하거나 높은 엔트로피 인 경우, 당신은 무작위로 물체를 움직일 수 있고 지저분하게 유지 될 수 있습니다. 대조적으로, 방이 깔끔하거나 깔끔한 경우, 물건을 덜 깔끔하게 만들면 미세한 성분에 관한 블랙 홀의 엔트로피 사이에 다리를 만들어서 Bekenstein 및 Hawking의 기하학적 인 표면 영역에 관한 것입니다. 블랙홀과 양자 중력을 연구하기위한 물리학 자의 가장 강한 발판.
Bekenstein과 Hawking은 아인슈타인의 중력 방정식 (열역학 법칙과 함께)을 블랙홀의 표면에 적용함으로써 법을 추론했습니다. 그들은이 표면을 매끄럽게 취급하고 짧은 거리에 존재하는 모든 구조를 무시했습니다.
1993 년 시카고 대학교의 물리학 자 로버트 월드 (Robert Wald)는 더 잘할 수 있음을 보여주었습니다. Wald는 현실 수준에 대한 완전한 설명이 무엇인지 알지 못하고 현실 수준의 현실에서 나오는 작은 효과를 유추하는 영리한 트릭을 발견했습니다. 이론적 물리학 자 케네스 윌슨 (Kenneth Wilson)의 다른 맥락에서 개척 한 그의 전술은 가능한 모든 물리적 효과를 기록하는 것이었다. 아인슈타인의 방정식에 대해 Wald는 블랙홀 표면의 알려지지 않은 단거리 특성을 설명 할 수있는 모든 신체적으로 관련된 변수로 구성된 올바른 차원과 단위를 가진 모든 용어를 추가하는 방법을 보여주었습니다. Cremonini는“특정 크기의 [블랙홀] 곡률을 묘사하는 원칙적으로 가질 수있는 가장 일반적인 용어 세트를 적을 수 있습니다.
다행 스럽게도이 시리즈는 처음 몇 가지 용어 이후에는 잘릴 수 있습니다. 많은 변수의 점점 더 복잡한 복합재가 최종 답변에 거의 기여하지 않기 때문입니다. 이 시리즈의 많은 주요 용어조차도 잘못된 대칭이 있거나 일관성 조건을 위반하기 때문에 교차 할 수 있습니다. 이것은 아인슈타인의 중력 방정식을 수정하는 의미의 몇 가지 용어 만 남습니다. 이 새롭고 복잡한 방정식을 해결하면 더 정확한 블랙홀 속성이 생성됩니다.
Wald는 1993 년 에이 단계를 거쳐 짧은 거리 양자 중력 효과가 Bekenstein-Hawking Entropy Area Law를 어떻게 교정하는지 계산했습니다. 이 보정은 블랙홀의 엔트로피를 이동하여 면적에 정확히 비례하지 않도록합니다. 그리고 엔트로피 이동을 완전히 계산할 수는 없지만 (알 수없는 값이있는 변수가 관련되어 있습니다. 분명한 것은 수정이 블랙홀이 작을수록 더 크게 증가하므로 엔트로피 시프트도 마찬가지입니다.
).3 년 전 Cheung, Liu 및 Remmen은 충전 된 블랙홀과 극한 한계에 대한 연구에 Wald의 기본 접근 방식을 적용했습니다. 그들은 짧은 거리 효과에서 나오는 일련의 추가 용어로 Einstein-Maxwell 방정식을 수정했으며 새로운 방정식을 해결하여 새로운 수정 된 극한 한계를 계산했습니다. 놀랍게도, 그들은 대답을 인식했다. 충전 된 블랙홀의 극한 한계에 대한 수정은 Wald 's Formula에서 계산 된 바와 같이 엔트로피의 수정과 정확히 일치한다. 양자 중력은 예기치 않게 두 가지를 같은 방식으로 이동시킵니다.
Remmen은 2017 년 11 월 30 일 계산을 완료 한 날짜를 기억합니다. "이것은 우리가 증명 한 매우 깊고 흥미 진진한 일입니다.
그러나 일치하는 변화는 올바른 방향으로 이동합니까? 두 가지 수정은 결정되지 않은 변수에 의존하므로 원칙적으로 긍정적이거나 부정적 일 수 있습니다. 2018 년 논문에서 Cheung과 Company는 엔트로피 이동이 양자 중력의 대규모 시나리오와 모델에서 긍정적이라고 계산했습니다. 그들은 또한 엔트로피 시프트가 긍정적이어야한다는 것은 직관적 인 의미가 있다고 주장한다. 엔트로피는 블랙홀의 모든 다른 내부 상태를 측정합니다. 블랙홀 표면에 대한 더 많은 미세한 세부 사항을 설명하면 새로운 가능한 상태가 드러날 것이므로 더 적은 엔트로피로 이어질 수 있습니다. Remmen은“Truer 이론은 더 많은 미세 조상을 가질 것입니다
그렇다면, 극한 한계의 이동도 양수이어서 작은 블랙홀이 질량 당 더 많은 충전을 저장할 수있게합니다. 이 경우,“블랙홀은 항상 더 가벼운 곳으로 부패 할 수 있습니다.”라고 Cheung은 말했습니다.“약한 중력 추측은 사실입니다.”
.그러나 다른 연구자들은 이러한 발견이 약한 중력 추측에 대한 명백한 증거를 구성하지 않는다고 강조합니다. 매디슨 위스콘신 대학교의 이론 물리학자인 게리 시우 (Gary Shiu)는 양자 중력을 고려할 때 엔트로피가 항상 증가해야한다는 믿음은“일부는 가질 수있는 직관이지만 항상 사실은 아닙니다.”
.Shiu는 반응을 확인했습니다. 비현실적인 양자 중력의 비현실적인 모델은 취소를 통해 단거리 효과가 블랙홀 엔트로피를 감소시킵니다. 이 모델은 인과성이나 다른 원칙을 위반하지만 시우에 따르면 엔트로피와의 새로운 연결이 극한의 블랙홀이 항상 부패 할 수 있거나 중력이 항상 가장 약한 힘이라는 것을 그 자체로 증명하지는 않는다는 것입니다.
.Shiu는“[약한 중력 추측]을 증명할 수있는 것은 환상적 일 것입니다. "이것이 우리가 여전히이 문제에 대해 생각하고있는 많은 이유입니다."
금지 된 SwamPland
중력은 우리 우주에서 4 가지 기본력 중 가장 약한 것입니다. 약한 중력 추측은 그렇지 않다고 말합니다. 우리의 우주를 제외하고, 추측은 또한 끈 이론에서 파생 된 가능한 모든 이론적 우주에서도 유지되는 것으로 보인다. 무게의 양자 이론의 후보자, 문자열 이론은 입자가 포인트가 아니라 오히려 확장 된 물체 (별명)이며 시공간, 클로즈업도 추가 차원을 가지고 있다고 주장합니다. 끈 이론가들이 우주를 정의 할 수있는 다른 줄의 끈 세트를 기록 할 때, 그들은 끈의 유형에서 발생하는 중력 이이 모델 우주에서 가장 약한 힘이라는 것을 항상 알게됩니다. 뉴저지 프린스턴, 캠브리지 대학교 (University of Cambridge)의 고급 연구 연구소 (Advanced Study)의 물리학자인 호르헤 산토스 (Jorge Santos)는“이것은 사건 이후 사건 이후 사건 이후 사건이 발생하여 어떻게 파괴되는지를 보았다”고 말했다.
약한 중력 추측은 지난 20 년 동안 물리학 자들이 제기 한“스와 폴란드 추측”네트워크에서 가장 중요한 것, 즉 생각 실험과 사례를 바탕으로 우주의 종류가 무엇인지, 불가능한 지에 대한 투기 진술 중 가장 중요한 것입니다. Swampland 이론가들은 가능성을 배제함으로써 (불가능한 우주를“스와 폴란드”에 두는) 우리의 우주가 왜 그런지 명확하게하는 것을 목표로합니다.
연구자들이 중력이 필연적으로 가장 약하임을 증명할 수 있다면 (그리고 블랙홀이 항상 부패 할 수 있음), 산토스에 따르면 가장 중요한 의미는 양자 중력이“통일 이론이어야한다”는 것을 의미한다는 것입니다. 즉, q 입니다 및 m 고정 비율이 있어야하며, 관련 힘은 동일한 통합 수학적 프레임 워크의 일부 여야합니다. 산토스는 단일 프레임 워크에서 근본적인 힘을 통합하는“유일한 이론”은 문자열 이론이라고 지적했다. 루프 양자 중력과 같은 라이벌 접근은 중력을 다른 힘과 연결하지 않고 시공간을 조각으로 나누어 중력을 정량화하려는 시도. Santos는“약한 중력 추측이 맞다면 루프 양자 중력과 같은 것들이 죽었다”고 Santos는 말했다.
루이지애나 주립 대학의 루프 양자 중력 이론가 인 호르헤 풀린 (Jorge Pullin)은“죽은 자”가 너무 강한 단어를 본다. 그는이 접근 방식 자체가 더 큰 통합 이론의 일부가 될 수 있다고 말했다.“루프 양자 중력은 통일 구조를 배제하지는 않지만 아직 추구하지는 않았다.”
.약한 중력 추측은 또한 대칭의 역할과 양자 중력에서의 거리에 대한 진술을 포함하여 다른 몇 가지 다른 수유 추측을 상호 강화합니다. Shiu에 따르면,이 추측 사이의 논리적 연결은“우리에게 이러한 진술이 추측의 의미로 이루어 지더라도 그들 뒤에는 보편적 인 진실이있을 수 있다는 확신을줍니다.”
.Shiu는 양자 중력에 대한 현재의 추측 적 이해를 양자 역학의 초기 시절과 비교했습니다. "아 원자 세계의 올바른 이론이 무엇인지에 대한 많은 추측과 믿음의 많은 도약이 있었다"고 그는 말했다. "결국 이러한 추측 중 다수는이 훨씬 더 큰 그림의 일부로 밝혀졌습니다."
보편적 에너지 및 장애
최근의 연구는 블랙홀과 양자 중력을 넘어서는 영향을 미칠 수 있습니다.
3 월 논문에서 Goon과 Penco는 블랙홀 엔트로피 및 극한 보정의 계산을 재구성했습니다. 중력과 블랙홀 표면 형상의 언어를 사용하는 대신 에너지 및 온도와 같은 범용 열역학적 양의 관점에서 순수하게 보정을 계산했습니다. 이를 통해 일반적으로 본질적으로 적용되는 에너지와 엔트로피 사이의 열역학적 관계를 발견 할 수있었습니다.
Santos는“아름다운 관계입니다.
블랙홀의 경우, 듀오의 공식은 Cheung, Remmen 및 Liu가 이미 증명 한 내용을 말합니다. 양자 중력은 블랙홀의 극한 한계 (질량 당 더 많은 충전을 저장할 수 있음)를 전환하고 엔트로피를 비례 양으로 이동시킵니다. 양자 중력에서 나오는 추가 저장 용량을 설명하는 또 다른 방법은 고정 전하의 블랙홀이 질량이 적을 수 있다는 것입니다. 질량은 에너지의 한 형태이므로,이 질량 감소는 더 일반적으로 에너지의 이동으로 생각 될 수 있습니다.
블랙홀의 경우, 에너지와 엔트로피의 동일하고 반대 변화는 양자 중력의 알 수없는 세부 사항에서 비롯되지만, 극한의 물리적 시스템에 동등한 상황이 존재합니다.
.예를 들어, 가스는 절대 0으로 냉각되면 극도로됩니다. Goon과 Penco의 열역학적 공식은 가스의 미세한 물리학에 대한 변화는 그것을 포함하는 원자의 유형과 같은 에너지와 엔트로피의 동일하고 반대 변화를 생성한다고 말합니다. Goon은 에너지와 엔트로피의 관계가 초음파 가스 및 기타 극저온 실험에 대한 연구에 유용 할 수 있다고 추측했다.
이 엔트로피 에너지 관계는 물리학의 지구 영역에서 유용한 지 여부에 관계없이, 연구원들은 여전히 블랙홀의 맥락에서 새로운 링크를 탐구하기 위해 더 많은 노력을 기울이고 중력의 본질에 대한 의미가 있습니다.
"대답 할 수있는 이유는"중력이 약한 이유는 무엇입니까? "라고 Cheung은 말했습니다. "그 질문이 이사회에 있다는 사실, 철학의 영역 밖에서 합법적으로 대답 할 수 있다는 질문과 엔트로피로 의이 긴 길을 통해 연결되어 있다는 사실은 검은 색 구멍에 대해 미쳤습니다."
. " .
수정 : 2020 년 6 월 15 일
이 기사의 이전 버전은“응축 물리학 자 케네스 윌슨”을 언급했다. Wilson은 위상 전환 연구로 노벨상을 수상했지만 그의 작업은 특히 고 에너지 입자 이론을 포함하여 많은 분야에 걸쳐있었습니다.
이 기사는 에 재 인쇄되었습니다 wired.com 및 spektrum.de.
