물리학에서 가장 당혹스러운 주제 중 일부는 양자 이론을 중심으로 진행됩니다. 이 쿼리는 Schrödinger의 고양이 질문과 블랙홀 증발의 정보 손실 문제에서 가장 유명합니다. Richard Feynman은 다음과 같이 말했습니다.“저는 양자 역학을 이해하는 사람이 아무도 없다고 안전하게 말할 수 있다고 생각합니다.” 대부분의 물리학 자들은 방금 익숙해졌습니다. 의심 할 여지없이 양자 이론이 실제 수준에서 성공적이라는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 실험실에서 실험 결과 가능한 결과에 대한 확률을 계산하기위한 도구 이상으로 고려하고“세계”에 대한 기본 설명으로 취하면 심각한 개념적 문제에 직면 해 있습니다.
.기본적인 문제는 양자 이론이 우리가 측정하는 것에 관한 것 같습니다 그리고 세상에 무엇이 있는지에 관한 것이 아닙니다 . 이론은 세상에 대한“우리의 정보”를 나타내므로 이것이 괜찮다고 생각할 수도 있습니다. 그러나 그것은 우리가 알릴 수있는 세상에 관한 무언가가 있었으며, 이는 이론에 의해 지정된 일반적인 상황이어야합니다. 이 개념적 문제를 다루는 방법을 이해하면 이론을 더 자세히 살펴 봐야합니다.
양자 이론에 따르면, 시스템의 일반적인 상태 (입자의 위치 또는 속도)는 잘 정의 된 값이 없습니다. 그 무기력은 "양자 불확실성", 불행히도 "양자 변동"이라고도합니다. 표준 교과서에 제시된 양자 이론에는 물리적 시스템의 진화에 대한 두 가지 규칙이 포함됩니다. 로저 펜 로즈 (Roger Penrose)가 언급 한 것은 U- 프로세스입니다. Schrödinger 방정식으로 표시되어 현재 시스템 상태를 고려할 때 미래의 시간 (결정 론적 예측) 또는 과거의 시간 (완전한 회복)에 시스템 상태를 정확하게 결정할 수 있습니다. 그러나이 규칙은 시스템이 "관찰"에 적용되지 않는 한 유지됩니다.
.시스템의 일부 속성이 관찰되거나 측정 될 때 발생하는 두 번째 규칙은 Penrose에 의해 R- 프로세스라고하는 확률 론적 규칙입니다. 이 규칙에 따르면, 측정의 결과로, 주정부는 해당 속성이 잘 정의 된 값을 갖는 주 중 하나로 뛰어납니다. 이 규칙은 일반적으로 측정 또는 관찰 이전의 상태가 될 상태에 대한 정확한 예측을 허용하지 않습니다. 이를 사용하여 확률을 정확하게 예측하고 실험의 많은 반복에서 나오는 평균 값과 결과의 통계적 분산, 수치 적 가치의 수량, 위에서 언급 한 무의미성 수준과 일치하는 수량을 예측할 수 있습니다.
.문제 중 하나는 Quantum 이론이 아무도 보지 않을 때 세상의 본질에 대한 주장에 대해 모호하다는 것입니다. 이론이 의미가 있어야하는 데 필요한 의식의 참여가 필요합니까? 그렇다면 마우스 또는 파리가 포함됩니까? 특히, 측정을 구성하는 것의 사양은 돌이킬 수 없을 정도로 모호합니다. 아마도 필요한 것은 충분히 큰 장치 일 것입니다. 그러나 충분히 큰 것은 무엇입니까? 그리고 경계에서 어떻게됩니까? 이러한 문제는 측정 문제라고합니다. 이러한 개념적 어려움은 일반적으로 물리학자를 실천함으로써 무시됩니다.
한 가지 예외는 David Bohm에 의해 제공되는 한 가지 예외는 이론의 다른 특성을 제공하는 제안 (원래 Louis de Broglie가 고려한)을 재발견했으며, 항상 명확한 위치와 속도를 가지고있는 포인트와 같은 입자와 함께, 양자 상태는 단순히 시간 진화에서 그들을 인도하지 않는다. 또 다른 주목할만한 예외는 U 및 R 프로세스를 단일 법으로 통합하는 이론의 수정 지지자들에 의해 예시되어 기본 수준에서 "측정"이라는 개념을 소개 할 필요가 없다. 이 경우, Schrödinger의 불행한 애완 동물은 아무도 보지 않아도 죽거나 살아있을 것입니다.
이 접근법은 공간과 시간에 걸쳐 모든 입자에 자발적으로 발생하는 R 프로세스의 소형 버전 모음과 유사한 것을 불러 일으키는“자발적 붕괴”이론의 기초를 형성했다. 즉, 측정이 이루어질 필요가 없습니다. 프론티어에서 더 나아가 많은 세계 이론 (휴 에버렛이 개척)은 모든 측정 값이 현실의 분기 (또는 다중 관관)와 병렬 공존 세계와 같은 것으로 묶여 있습니다.
신중한 분석에 따르면이 문제는 본질적으로 문제를 다루기 위해 취해질 수있는 세 가지 논리적 수단임을 보여줍니다. 양자 상태 (De-Brogile-Bohm 접근법에 의해 예시 된 숨겨진 가변 경로)를 추가하여 이론을 수정하고, 이론과 같은 사건을 통해 (자발적 붕괴 이론에서,) 또는 과정을 제거함으로써 이론에서 진화 규칙을 수정하십시오. 많은 세계 경로).
많은 양자 물리학 자들은 그 문제를 전반적으로 확신 시키거나, 그 문제가 고려할 수있는 접근법은 그들의 분야의 도전과 관련이 없다. 나는 소수의 동료들 사이에서 극적으로 다른 견해를 가지고 있으며, 자발적인 붕괴는 우주의 법칙에 대한 현재의 이해, 특히 중력과 양자 이론을 함께 사용해야하는 상황에 의해 직면 한 가장 심각한 어려움을 해결하기위한 가장 유망한 경로라고 주장합니다.
우주론의 중심적인 특징은 우리가 일반적으로 이해하는 것처럼 인플레이션으로 알려진 시대이며, 플랑크 시대 후 첫 번째 부분에서 일어난 것으로 생각되었습니다. 플랑크 시대에서, 양자 중력은 지배해야하며, 시공간 자체의 개념은 아마도 관련이 있거나 유용하지 않을 것이다. (양자 중력은 일반 상대성의 기본 원리, 우리의 최고의 중력 이론 및 양자 이론을 조화롭게 결합 할 수있는 이론을 말합니다.)이 인플레이션 체제에서는 시공간의 일반적인 개념이 적절하다고 가정합니다. 그러나 중력은 일반적인 상대성 이론으로 잘 설명되는 것으로 생각되며, 일반 입자 물리학 상황 (예 :CERN과 같은 곳이나 고 에너지 우주 광선 연구에서 경험적으로 탐구 된 것과 같은 동일한 유형의 이론에 의해 설명됩니다.
).주요 차이점은 인플레이션 시대에서 지배적 인 것으로 생각되는 물질의 유형은 인형으로 알려진 분야라는 것입니다. 이것은 전자기장과 비슷하지만 고유 방향이나 스핀이 없기 때문에 훨씬 간단합니다. 그 시대의 주요 특징은 우주가 인형 필드의 중력 효과의 결과로 매우 빠르고 가속화 된 방식으로 (최소 백만 조 2 조의 시간의 총 확장 계수, 즉 10의 계수) 확장된다는 것입니다. 결과적으로, 우주의 공간 곡률은 0으로 이어지고, 완벽한 균질성과 등방성과의 모든 편차는 완전히 희석됩니다 (10의 나머지 편차는 너무 작아서 단순성을 위해 0으로 받아 들일 것입니다.
.인플레이션 시대는 Latton Field가 붕괴 될 때 끝납니다. 오늘날 우리가 찾은 모든 문제로 우주를 채우십시오 :당신의 의자, 그리고 태양계가 만들어지는 일반적인 문제; Cern 's와 같은 강력한 입자 가속기를 사용하여 초 분율로 생산할 수있는 약간 더 이국적인 유형의 물질; 그리고 은하와 은하 클러스터의 압도적 인 부분을 구성하는 것처럼 보이는 애매한 암흑 물질조차도. 다시 말해, 인플레이션 시대의 종말은 기본적으로 열역학적 고려 사항에 의해 지배되는 각각의 풍부한 입자로 구성된 모든 다양한 입자로 구성된 매우 뜨거운 플라즈마로 채워진 확장 된 우주를 묘사하면서, 인플레이션 시대의 끝은 기본적으로 다양한 입자로 구성된 확장 된 우주를 묘사해야한다. 확장 할 때 냉각 된 우주는 광 핵의 형성 (온도가 약 10 억도 켈빈으로 떨어질 때)을 초래하고, 훨씬 나중에는 첫 번째 원자 (약 3,000도 켈빈)의 형성으로 이어진다. 후자의 단계는 우주 전자 레인지 배경 방사선에 해당하는 광자가 방출되는 단계입니다.
우주 전자 레인지 배경 방사선의 온도 패턴의 작은 변형에서, 우리는 현재 우주를 채우는 은하, 별, 행성을 구성하기 위해 현재까지 성장할 균질성과 등방성에서 원시적 편차의 각인을 볼 수 있습니다. 요점은 우주는 꽤 오랫동안 균질하고 등방성이 아니었다는 것입니다. 반면, 인플레이션에 따르면, 우주의 폭력적인 확장은 모든 불균일성 (다른 장소 사이의 조건 차이)과 이방성 (다른 방향의 차이)을 완전히 희석시켰다. 이러한 상황은 완전히 균질하고 등방성 인 상태에서 시공간 및 인형 분야의 관점에서 설명됩니다.
모든 우주 구조의 형성으로 이어진 불균일성은 어디에서, 그리고 우주 전자 레인지 배경에서 우리가 보는 각인은 어디에서 왔습니까? 현재의 우주 론적 정교회에 따르면, 그들은 인플레이션 시대에 인플레이션 기간 동안의 "양자 변동"과 시공간 메트릭으로 인해 발생했습니다. 실제로, 인플레이션은 소위 무리의 진공 상태 인 인플레이션 시대의 양자 상태에 대한 레시피와 함께 제공됩니다. 평평한 시공간의 진공 상태와 마찬가지로 그 상태는 100 % 균질하고 등방성이라는 속성을 가지고 있지만, 어떻게 든 우리는 양자 불확실성이 현재의 우주 불균일성의 씨앗이라고 생각해야합니다.
.대부분의 우주론 학자들은“양자 무기력”과“통계적 분산”을 쉽게 교환하기 때문에 여기서는 아무런 문제가 없습니다 (개념적 오류는 종종 단어 변동이 두 맥락에서 모두 사용된다는 사실에 의해 가려집니다). 그러나 그 견해는 측정이 관련된 경우에만 정당화됩니다. 요점은 R- 프로세스에 따라 측정이 실제로 시스템 상태를 변경하여 더 이상 균질하지 않은 상태로 이어지는 상태로 이어질 수 있다는 것입니다.
.그러나 초기 우주에서 은하, 행성 및 의식적인 존재가 형성되기 전에 측정 할 수있는 것은 무엇입니까? 일부 우주론가들은 오늘날 우리의 위성과 함께 필요한 측정을하고 있다고 대답 할 것입니다. 순간의 반영은 그러한 자세가 얼마나 문제가되는지를 보여줍니다. 우리는 측정 장치와 함께 초기 우주에서 우세한 완벽한 동질성의 붕괴를 담당합니다. 은하, 별, 행성을 포함한 우주 구조의 형성으로 이어졌습니다. 우리는 부분적으로 우리 자신의 존재의 원인이 될 것입니다! 나는 도울 수는 없지만 옛 시골 노래“나는 내 할아버지입니다.”
할아버지 문제를 해결하기위한 기존의 경로를 고려한 후, Alejandro Perez, Hanno Sahlmman, 그리고 나는 믹스에 새로운 성분을 추가 할 것을 제안했습니다. 이것은 R- 프로세스의 버전으로 지속적으로 진행되며, 일반적으로 필드의 양자 상태에서 작고 임의의 변화를 유도합니다. 그러한 과정의 무작위성은 관찰자 나 측정 장치를 호출하지 않고 초기 우주에서 동질성과 등방성의 분해를 설명 할 수있다. 더욱이, 자발적 붕괴가 몇 가지 간단한 요구 사항을 충족시키는 경우, 이러한 불균일성에 관한 결과 예측은 우주 전자 레인지 배경에서 볼 수있는 온도 변화의 분포의 특성을 재현 할 수있다.
.처음에는 새로운 접근 방식이 표준 예측에서 중요한 출발로 이어지지 않은 것 같습니다. 그러나 예측이 극적으로 다른 이야기의 한 측면이 있습니다. 표준 처리에 따르면, 우주의 물질 밀도에서 불균일성 생성에 대한 예측은 소위 원시 중력파의 생성에 대한 유사한 예측에 불가분하게 붙어있다. 이들은 검출기 Ligo 및 Virgo에 의한 블랙홀 및/또는 중성자 별의 충돌로 인해 발생하는 장엄하게 감지 된 중력파와 유사합니다. 그러나 그 것과는 달리, 원시적 인 것들은 지금 너무 연약 할 것이며, 우주 전자 레인지 배경 방사선의 분극에서 특정 유형의 이방성에서만 그들의 존재가 감지 될 것으로 예상됩니다.
.그것들을 찾는 것은 인플레이션의 정확성에 대한 주요한 확인으로 간주되므로 강렬했습니다. 그들이 지금까지 발견되지 않았다는 사실은 인플레이션 우주론에서 심각한 문제로 간주되며, 예상되는 탐지의 실패로 이미 배제 된 가장 단순하고 매력적인 모델이 있습니다. 우리의 접근 방식을 따를 때, 원시 중력파의 생성에 관한 예측은 매우 크게 줄어들어 현재의 방법과 탐지기 감도에 의해 감지 할 수 없게됩니다. 계산에 따르면 크게 개선 된 감도와 하늘의 매우 작은 것에서 매우 큰 각도 비늘로 초점이 바뀌면서 만 감지 할 수 있습니다 (불행히도 두 가지는 불행히도 어려운 일). 따라서, 예기치 않게, 우리가 직면 한 개념적 고려 사항의 유형의 결과로, 인플레이션 우주론에 대한 구체적인 예측은 극적으로 바뀌었고, 소설은 기존의 경험적 증거에 더 잘 어울 렸습니다.
양자 이론의 개념적 어려움은 또한 블랙홀의 주제와 관련이 있습니다. 일반 상대성 이론의 이론은 일단 블랙홀이 형성되면, 기하학적 수량이 명목상으로 값 무한대를 획득하는 지역 인 특이성이 내부에서 발달 할 것이며, 그 지역에 접근함에 따라 곡률이 발산 될 것으로 예측한다. 그러한 특이점의 본질은 더 이국적인 대상의 출현 또는 심지어 다른 우주에 대한 문장을 나타내는 개념을 포함하여 야생의 추측을 일으켰다. 그러나 그들이 실제로 나타내는 것은 일반 상대성 이론이 적용되지 않는 정권의 존재입니다. (너무 흥미롭지 않아, 죄송합니다!)
즉, 우리가 일반 상대성 이론에 의존하고 싶다면, 우리는 그 특이점이 나타나야하는 지역을 제외한 일부 경계까지만 그렇게해야합니다.
물리학 자들은 일반적으로 우리의 현재 이론은 일반 상대성 이론과 양자 역학을 모두 캡슐화하는 더 깊은 것들이 대체되어야한다고 확신합니다. 이러한 양자 중력은 그러한 특이점을“치료”하고 블랙홀과 관련된 토론에 경계를 포함 할 필요가 없을 것으로 예상된다. 최소한의 투기 개념은 다른 우주에 대한 포털이나 대신에 나타나는 격렬한 이국적인 대상을 포함하지 않습니다.
물리학 자 제이콥 베켄 슈타인 (Jacob Beckenstein)이 처음 언급 한 한 가지 특징은 근본적인 단서로 간주되며 외부와의 에너지 교환은 열역학과 동일하게 보이는 법률에 의해 지배된다는 것입니다. 특히, 스티븐 호킹 (Stephen Hawking)에서 볼 수 있듯이, 열 방사선의 방출을 통해 에너지를 잃고, 블랙 홀의 영역을 덮어야하는 플랑크 길이의 각 "타일"에 대해 볼츠만 상수 (모든 열역학의 유비쿼터스)에 의해 제공되는 엔트로피가 있습니다. 물리학 자들이 양자 중력 이론의 구성을위한 다양한 접근법을 고려하기 시작하면서 이것은 지난 수십 년 동안 강렬한 관심을 끌었습니다. 분명히, 그러한 이론은 블랙홀 엔트로피의 발현을 설명 할 수 있어야한다. 그리고 상대적으로 짧은 시간 내에, 약간 다르지만 약간 다소 제한된 맥락에서, 양자 중력의 지지자들은 정답을 제시 한 설명을 발견했습니다.
그러나 호킹의 발견에서 시작 하여이 분석이 양자 이론과 관련이 있다는 사실은 물리학자를 당황하게하는 또 다른 질문을 제기했습니다. 그것은 강렬한 논쟁과 의견 불일치의 초점이며 블랙홀 정보의 이름 "역설"이라는 이름으로갑니다.
.일반적인 계정은 다음과 같습니다. 양자 이론에 따르면, 격리 된 물리 시스템의 양자 상태는 그러한 시스템에 대한 완전한 설명을 제공합니다. 그 상태는 미래에 다른 시간에 해당 상태를 정확하게 예측하거나 과거에 시스템 상태의 후퇴를 허용하는 진화 법에 따라 진화합니다. 반면에, 특정 질량 및 각 운동량의 블랙홀이 많은 방식으로 형성 될 수있었습니다. 블랙홀이 완전히 증발하여 매우 간단한 방식으로 완전히 특징 지어지는 열 방사선 만 남겨두면, 처음에는 블랙홀을 일으킨 문제의 정확한 양자 상태를 정밀하게 되 돌리는 데 필요한 모든 정보를 인코딩 할 수있는 방법이없는 것 같습니다. 따라서, 최종 상태의 세부 사항으로부터, 양자 이론의 진화 법칙의 특성을 고려할 때, 예상되는 것과 상충되면서 블랙홀이 처음 형성된 상세한 상태를 되 찾는 것은 불가능할 것이다. 이것은 많은 사람들에게 우리가“역설”에 직면하고 있음을 나타냅니다.
문제를 면밀히 살펴보면 상황이 그렇게 간단하지 않다는 것을 보여줍니다 (그리고 왜 내가 역설을 인용 자국에 넣었는지 설명합니다). 요점은 양자 이론에 따르면 블랙홀이 처음 형성된 상세 상태를 되돌릴 수 있어야한다는 주장은 거짓이라는 것입니다. 이러한 결론은 U- 프로세스에 초점을 맞추고 R 프로세스를 완전히 무시하는 경우에만 따릅니다. 따라서 블랙홀 증발과 관련하여 발생하는 문제와 정보의 운명을 측정 문제의 해결과 관련하여 고려하는 것은 당연합니다.
측정 문제에 대한 가장 매력적인 솔루션 중 하나는 자발적인 붕괴로 제공됩니다. 2015 년부터 동료들과 저는 블랙홀 증발의 맥락에서 그러한 이론의 사용이 문제를 완전히 해결할 수 있는지 여부에 관계없이 단순화 된 모델의 도움으로 자세히 고려하고 분석했습니다. 우리의 분석은 지금까지 자발적인 붕괴 속도가 시공간 곡률에 따라 증가하면 대답이 예라고 나타냅니다. 이 경우, 일반적으로 자발적인 붕괴와 관련된 작은 수준의 정보 지우기는 블랙홀의 깊은 내부에서 증가하는 곡률이 증가함에 따라 완전히 증발 할 때 지워지는 모든 정보를 설명하기 위해 충분히 효율적으로 나타납니다.
.이 작업은 정확한 이론 형태의 열린 문제와 세부 사항을 계속 정리하고 이러한 아이디어를 테스트 할 수있는 다른 상황을 찾아야합니다. 상황이 아직 해결되지는 않았지만, Schrödinger의 고양이와 같은 다양한 문제의 집단적 해결책, 블랙홀 정보 문제 및 인플레이션 우주론의 수수께끼면 자발적인 붕괴의 고려로 인해 발생할 수 있습니다. 우리는 최근 우주의 초기 상태의 매우 낮은 엔트로피를 설명 할 가능성과 암흑 에너지의 본질과 규모를 이해하는 길을 포함 하여이 접근법이 도움이 될 수있는 다른 문제를 발견했습니다. 중력과 관련된 상황에서 자발적인 붕괴 이론의 사용은 실제로 매우 유망하고 흥미로운 연구 경로 인 것 같습니다.
Daniel Sudarsky는 시카고 대학교, 펜실베니아 대학교, 아르헨티나의 부에노스 아이레스, 프랑스 마르세유 대학교 및 NYU에서 방문 직책을 맡았습니다. 그는 현재 존 벨 (John Bell)의 물리 재단 연구소 (John Bell Institute of Physics)의 이사회 회원이며, 국립 자율 대학교 (National Autonomous University of México)의 핵 과학 연구소 교수입니다. .
참조
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