2020 년 노벨 물리학상은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 블랙홀을 예측하고 있으며, 우리 은하의 중심이 비교적 작은 공간으로 포장 된 4 백만의 태양과 동등한 초대형 블랙홀을 수용하고 있음을 확인한 3 명의 연구원에게 갔다. 블랙홀에 대한 이해를 넓히는 것 외에도 초대형 블랙홀 주변의 강력한 중력장은 극한 조건에서 자연을 연구하는 실험실입니다. 새로운 노벨상 수상자 중 하나 인 UCLA의 Andrea Ghez를 포함한 연구원들은 강렬한 중력이 미세 구조를 변화시키는 방법을 측정했습니다. 이 연구는 상수와 공간과 시간이 다릅니다. 희망은 기본 입자의 표준 모델과 현재 우주론에서 문제를 해결할 수있는 단서를 찾는 것입니다.
Ghez 외에도 2020 년에 영예를 얻은 다른 노벨상 수상자들은 Cambridge University의 Roger Penrose로, 블랙홀에 대한 이론적 이해를 심화 시켰습니다. 그리고 독일 Garching에있는 Max Planck 외계 물리학 연구소의 Reinhard Genzel. Ghez와 Genzel은 평행하지만 별도의 관찰 및 분석을 수행하여 각 은하계 초대형 블랙홀의 존재를 추론했습니다. 27,000 광년 거리에 좋은 데이터를 얻으려면 큰 망원경이 필요했습니다. Ghez는 하와이의 Mauna Kea의 Keck Observatory와 함께 일했으며 Genzel은 칠레에서 매우 큰 망원경을 사용했습니다. 각 연구원은 그들이 관찰 한 별의 움직임이 은하의 중심에 거대한 덩어리에서 발생했음을 발견했습니다. 그들은 우리 태양계만큼 큰 지역에서 우리 태양의 질량의 4 백만 배인 같은 가치를 얻었습니다.
Keck에 대한 Ghez의 연구는 올해 출판 된 논문에서 공동 저자로 만들어졌으며, Paris Observatory의 Aurélien Hees와 13 명의 국제 동료들이 Galactic Super Massive Black Hole 근처에서 고급 구조에 대한 결과를 발표했습니다. 놀랍게도이 연구를 뒷받침하는 Ghez의 노벨상 우승 결과는 오늘날의 이론과 천문 기술을 Johannes Kepler와 Isaac Newton과 거슬러 올라가는 아이디어와 함께 초대형 블랙홀 근처의 별의 움직임을 조사했습니다. 이것은 1675 년에 글을 썼을 때 과학이 어떻게 발전하는지에 대한 뉴턴의 통찰력의 또 다른 예입니다.
독일 천문학 자 케플러 (Kepler)는 1609 년에 행성 운동의 법칙을 제시했을 때 과학을 바꾼 거인 중 한 명입니다. 그는 행성들이 신성하게 영감을받은 완벽한 원으로 태양을 공전하지 않음을 보여주었습니다. 궤도는 타원의 초점에서 태양과의 타원이며, 타원을 구성하는 방법을 정의하는 중심에서 대칭 적으로 오프셋 된 두 지점 중 하나입니다. Kepler는 또한 행성 궤도의 크기와 행성이 회로를 완성하는 데 걸리는 시간 사이의 수학적 관계를 발견했습니다.
1687 년 뉴턴은 케플러의 법칙에 더 깊고 일관된 신체적 기초를 주었다. 신체 사이의 상호 매력에 근거한 뉴턴의 중력 법칙은 질량 주위의 닫힌 궤도에있는 천상의 대상이 그 질량에 의존하는 타원형 경로를 따른다는 것을 보여 주었다. 오늘날 입문 천문학에서 가르치는이 결과는 Ghez가 초대형 블랙홀의 질량을 어떻게 발견했는지의 핵심입니다. 그녀의 수년간의 신중한 관찰은 은하 중심을 공전하는 별의 타원형 경로를 정확하게 정의했다. 그런 다음 그녀는 뉴턴의 이론을 사용하여 중앙에서 질량을 계산했습니다 (뉴턴의 법칙을 대체하는 일반 상대성 이론은 블랙홀을 예측하지만 뉴턴의 접근 방식은 초대형 블랙홀 주변의 별장 궤도에 충분히 정확합니다). 이러한 궤도에 대한 지식은 초대형 블랙홀 근처의 강력한 중력에서 미세 구조를 일정하게 측정하는 데 중요합니다. 그 상수가 중력에 의존하는 방법은 현대 물리학의 두 가지 위대한 퍼즐 인 암흑 물질과 암흑 에너지를 다루기 위해 표준 모델 또는 일반적인 상대성 이론을 수정하는 것에 대한 단서가 될 수 있습니다.
이 특별한 시험은 자연의 기본 상수에 대한 더 큰 장기 검토에 적합하며, 각각은 우리에게 가장 깊은 이론의 범위 나 규모에 대해 알려줍니다. 다른 상수와 함께, 미세 구조 상수 (그리스 문자 α로 표시됨)는 표준 모델 인 기본 입자의 양자 필드 이론에 나타납니다. α의 수치 값은 광자와 전기 하전 입자가 전자기력을 통해 얼마나 강력하게 상호 작용하는지 정의하며, 이는 중력 및 강하고 약한 핵무기와 함께 우주를 제어합니다. 그 효과 중에 전자기는 양성자 사이의 반발 정도와 전자가 원자에서 어떻게 행동하는지를 결정합니다. α의 값이 우리가 아는 것과 크게 다르면, 별 내의 핵 융합이 요소 탄소를 생성하는지 또는 원자가 안정적인 복잡한 분자를 형성 할 수 있는지 여부에 영향을 미칩니다. 둘 다 인생에 필요하고 또 다른 이유 α는 중요한 것입니다.
다른 상수는 다른 주요 물리적 이론을 나타냅니다 : c , 진공의 빛의 속도는 상대성에 중요합니다. h , Max Planck에 의해 유래 된 상수 (현재 "H-Bar"또는 = h /2 π ), 양자 효과의 작은 크기를 설정합니다. 및 g 뉴턴의 이론과 일반 상대성에서 중력 상수는 천문학적 몸이 어떻게 상호 작용하는지 결정합니다. 1899 년에 Planck는이 세 가지만 사용하여 자연적 특성을 기반으로 한 인간 인공물이 아닌 범용 측정 시스템을 정의했습니다. 그는이 시스템이 썼다. 그는“모든 시간과 모든 문명, 외계인 및 비인간적 인 문명”에 대해 동일 할 것이라고 썼다.
.플랑크는 길이, 시간 및 질량의 자연 단위를 유래 한 c , 및 g : l p =1.6 x 10 미터, t p =5.4 x 10 초, m p =2.2 x 10 킬로그램. 실용적 이기에는 너무 작아서 개념적 무게가 있습니다. 오늘날의 우주에서는 기본 입자 사이의 중력 상호 작용이 너무 약해 양자 거동에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 몸에 작은 플랑크 길이 l p 를 놓습니다 이와는 별도로, 기본 입자의 직경보다 적으며, 이들의 중력 상호 작용은 양자 효과와 충분히 강해집니다. 이것은 중력 및 양자 효과가 비슷한 강점이었고 오늘날 우리가 가진 두 가지 별도의 이론 대신 양자 중력의 결합 된 이론이 필요할 때 빅뱅 10 초 후“플랑크 시대”를 정의합니다.
.그럼에도 불구하고 일부 물리학 자에게는 c , 및 g 측정 단위에 의존하기 때문에 진정으로 근본적인 것은 아닙니다. 예를 들어 c 를 고려하십시오 메트릭 단위는 299,792km/sec이지만 영어 단위는 186,282 마일/초입니다. 이것은 물리적 단위가 본질적으로 내재 된 것이 아니라 문화적 구조임을 보여줍니다 (1999 년에는 NASA의 Mars 기후 궤도가 두 과학 팀이 다른 측정 시스템이 사용했던 측정 시스템을 확인하는 것을 잊었 기 때문에 치명적으로 추락했습니다). 그러나 순수한 숫자 인 상수는 문화와 심지어 우리와 상상할 수 없을 정도로 다른 측정 단위를 가진 외계인들 사이에서 완벽하게 번역됩니다.
미세 구조 상수 α는이 선호하는 순도를 운반하는 것으로 눈에.니다. 1916 년에 그것은 수소 원자의 단일 전자가 양자 수준 사이에서 점프함에 따라 방출되거나 흡수 된 빛의 파장에 대한 계산에 나타났다. Niels Bohr의 초기 양자 이론은 주요 파장을 예측했지만 Spectra는 추가 기능을 보여주었습니다. 이것을 설명하기 위해, 독일 이론가 Arnold Sommerfeld는 수소 원자의 양자 이론에 상대성을 추가했다. 그의 계산은 그가 미세 구조 상수라고 불리는 수량에 의존했다. 가 포함됩니다 , c 전자의 전하 e 자연의 또 다른 상수; 및 유출 성 ε 0 이는 진공의 전기적 특성을 나타냅니다. 놀랍게도이 홀수 컬렉션의 물리적 장치는 취소되어 순수한 번호 0.0072973525693 만 남습니다.
Sommerfeld는 매개 변수로 α를 사용했지만 1920 년대 후반 프랑스 물리학 자 Paul Dirac의 상대 론적 양자 역학에 대한 진보 된 작업과 영국의 천문학 자 Arthur Eddington이 모든 것에 대한 이론이 될 수있는 일을 다시 시작했을 때 명성을 얻었습니다. 그는 양자 이론과 상대성 이론을 병합하여 기본 입자의 수와 그 중 상수의 α와 같은 우주의 특성을 도출 할 계획이었다.
.Eddington의 접근 방식에서 한 번의 비틀기는 그가 α가 아닌 양 1/α를 고려했다는 것이 었습니다. 그의 분석은 그것이 순수한 수뿐만 아니라 정수가되어야한다는 것을 보여 주었기 때문입니다. 이것은 정확히 137에 가까운 1/α =137.1을 산출하는 현대 측정과 일치했습니다. Eddington의 계산은 대신 136 명을 주었고, 관심을 높일 수있을 정도로 가깝습니다. 그러나 추가 측정은 1/α =137.036임을 확인했다. 그의 다른 결과를 정당화하려는 Eddington의 시도는 설득력이 없었으며,이과 다른 이유로 그의 이론은 살아남지 못했습니다.
그러나 α와 "137"은 여전히 연결되어 있으므로 Richard Feynman은 137을 "마술 번호"라고 불렀습니다. 그가 의미하는 것은 수비학과 관련이 없습니다. 오히려 우리는 α의 값을 측정하는 방법을 알고 있지만 우리가 아는 어떤 이론에서 도출하는 방법은 아닙니다. 이것은 양성자 및 전자 질량의 비율과 같은 순수한 숫자를 포함하여 다른 기본 상수에도 해당되며 표준 모델이 부족합니다. 그럼에도 불구하고, α의 값은 전자기의 양자 이론 인 양자 전기 역학에서 중요하다. Feynman은 양자 전기 역학을 개발 한 두 명의 다른 이론가들과 1965 년 노벨상을 수상한 이래로 이것을 완전히 이해했습니다.
따라서 α는 자연의 중요한 상수 중 하나로 받아 들여집니다. 이제 이러한 수량의 가치가 정확하게 알려진 물리학 자들은 진정으로 일정합니까? 1937 년, 우주의 힘에 대한 고려는 Dirac을 이끌었습니다. 우주가 나이가 들어감에 따라 시간이 지남에 따라 변화하십시오. 또 다른 암시적이고 오래된 추측은 상수가 우주마다 다른지 궁금해하는 것입니다. 1543 년 폴란드 천문학 자 니콜라우스 코페르니쿠스 (Nicolaus Copernicus)가 우주의 중심에 지구가 아닌 태양을 두었을 때, 그는 인류를 특별한 우주의 위치에서 움직였다. 이것은 우주가 어디에서나 동일하다는 것을 의미하지만 이것은 단지 가정 일뿐입니다.
다양한 "상수"는 표준 모델과 우주론과 일반 상대성 이론을 모두 바, 다른 문제들 중에서도 암흑 물질과 암흑 에너지를 설명하지 못합니다. 우주가 삶을 지원하기 위해 우주가“미세 조정”이라는 개념에 α의 역할을 추가하고, 많은 사람들 중에서 우리가 존재하는 곳이 α의 승리 가치를 가진 사람이라는 관련 아이디어. 이 모든 자연의 상수에 대한 연구는 α에 중점을 두었습니다.
지구 측정에 따르면 α는 수십억 달러당 부품 내에 고정되어 있음을 확인합니다. 더 어려운 프로젝트는 천문학적 거리에서 측정하는 것입니다. 이것은 또한 초기 우주 시대에 α를 결정합니다. 수십억의 빛의 빛이 젊은 우주에서 우리에게 다가가는 데 몇 년이 걸렸기 때문입니다. 1999 년부터 호주 뉴 사우스 웨일즈 대학교 (University of New South)의 존 웹 (John Webb)은 동료들과 함께 블랙홀이 먼지를 뿌려서 먼지를 잡아 당기는 퀘이사라고 불리는 먼 은하계에서 빛을 모아서 그러한 측정을하고 있습니다. 이 빛은 성간 가스 구름을 가로 지르며 구름 내 원자의 파장 특성으로 흡수됩니다. 파장을 분석하면 수소 파장이 처음으로 지구에서 α를 정의한 것처럼 먼 위치에서 α가 제공됩니다.
Webb의 초기 결과에 따르면 α는 지난 60 억 년 이상 동안 0.0006 % 증가했으며 지구와의 거리에 의존하는 것으로 나타났습니다. 2020 년에 발표 된 결과는 현재와 130 억 년 전의 α가 더 작은 변화를 보여 주었는데,이 우주는 0.80 억 년에 불과한 저자들은“시간적 변화가 없다”고 해석합니다. 누적 결과는 또한 α가 우주의 방향에 따라 다르다고 제안합니다. 전반적으로, 실험 오류는 너무 커서 α의 단일 측정 변화가 정확하다는 확신을 불러 일으키지 만 변경은 확실히 매우 작습니다.
이제 α는 또한 이론적으로 변화 할 수있는 강한 중력장 내에서 측정되었습니다. 우리가 아는 가장 강력한 중력은 블랙홀에서 나옵니다. 우주선은 탈출 할 수없는 빛의 속도에 도달해야합니다. 그러나 강한 중력은 또한 흰색 난쟁이와 함께 외부 층을 추방하여 거대하지만 행성 크기의 코어 만 남겨 둡니다. 2013 년 뉴 사우스 웨일즈 대학교의 J.C. Berengut는 Webb와 다른 사람들과 함께 백색 왜소에서 스펙트럼 데이터를 분석하고 지구에 비해 0.004 %의 변화를 얻었습니다.
그러나 아무도 Ghez를 포함한 HEES와 공동 저자의 작품까지 올해의 초기 블랙홀 근처에서 α를 측정 한 사람은 없었습니다. Keck의 그녀의 결과는 궤도가 초대형 블랙홀 근처에있는 5 개의 별을 선택하는 데 도움이되었으며, 중력 효과를 극대화하고 스펙트럼이 주변의 별 대기로 인해 강한 흡수 특징을 나타내는 유형을 선택했습니다. 이것은 각 별에 대한 흡수 파장으로부터 유도 α를 촉진시켰다. 최종 복합 결과는 다시 지구에 비해 0.001 % 이하의 α의 작은 변화만을 보여줍니다.
α의 측정 된 변화는 작지만, 초대형 블랙홀 중력장의 다른 장소에서 5 개의 별에 대한 결과는 새로운 결과를 초래했습니다. 그들은 α의 변화가 중력 전위, 중력장에 저장된 에너지의 변화에 비례한다는 이론적 예측의 초기 시험을 허용했다. 결과는 두 수량이 비례 적이지만 데이터의 불확실성은 비례 상수의 대략적인 추정치 만 지원했다는 것을 확인했습니다. 더 신뢰할 수있는 가치는 암흑 물질과 암흑 에너지를 치료하는 몇 가지 새로운 이론들 사이를 선택할 수 있습니다.
현재로서는 시간과 공간에 걸쳐 α의 측정 된 변화와 중력 아래에 물리학 자들이 새로운 이론을 향한 물리학 자나 우주 나 블랙홀 근처의 삶에 대한 전망과 같은 추측을 불러 일으키기에는 너무 작거나 불확실합니다. 코페르니코 인의 관점에서 변화의 작은 것은 매우 큰 규모에서 우주가 어디에서나 거의 동일하게 보이지만, 더 많은 측정 값은 우주 전체에 작은 차이가 의미가있는 경우 실제가 있음을 확인할 수 있지만
.역동적 인 우주 에서이 특정 우주 숫자가 꾸준히 유지된다는 것을 아는 것은 일종의 위안 일 수 있습니다. 그러나 은하계 초대형 블랙홀 근처에서 α의 더 큰 변화를 보는 것이 새로운 물리학의 출발점이 될 수 있습니다. 이메일 인터뷰에서 묘사 한 바와 같이, 그의 목표는 이제 블랙홀의 중력장에 더 깊이 들어가는 것입니다. 그는 2021 년에 새로운 최적화 된 측정을 수행하여“블랙홀에 더 가까운 별을 관찰하여 더 강한 중력 잠재력을 경험했지만 현재의 기술을 사용하면 블랙홀에 가까운 별을 잘 관찰하는 것은 쉽지 않습니다.” 그럼에도 불구하고 그는 측정 오류를 10 배 줄일 수 있다고 생각합니다.
Ghez가 수행 한 세계적 수준의 노벨상 수상은 관찰 및 분광 기술의 큰 개선에 의존했습니다. 이 성공적인 프로젝트에 대한 추가 개선이 α의 어려운 변화와 우리가 우주를 이해하는 방법에 대한 의미를 연구하기위한 독특한 경기장 인 초대형 블랙홀에 대한 연구를 향상시킬 것이라는 것은 좋은 방법입니다.
Sidney Perkowitz는 Emory University의 명예 Charles Howard Candler 교수입니다. 그의 최신 책은 입니다 물리학 :매우 짧은 소개 및 실제 과학자들은 넥타이를 착용하지 않습니다. 그는 일하고있다 과학 스케치.
Lead Image :이 그림은 Sagittarius a*또는 sgr a*로 알려진 은하수의 핵심에있는 초대형 블랙홀에서 열광적 인 활동을 묘사합니다. 크레딧 :ESA – C. Carreau / Nasa
