블랙홀 연구소 소개
적절하게, 블랙홀 이니셔티브 (BHI)는 Karl Schwarzschild가 일반 상대성에 대한 아인슈타인의 방정식을 해결 한 지 100 년 만에 설립되었습니다. 시공간의 이국적인 구조로서, 블랙홀은 신비한 본성에 대한 한 세기의 연구에 따라 천문학 자, 물리학 자, 수학자, 철학자 및 일반 대중을 계속 매료시킵니다.
BHI의 사명은 학제 간이며,이를 위해 우리는 다른 분야의 연구원들 사이의 상호 작용을 지원하기 위해 환경을 조성하는 많은 사건을 후원합니다. 철학자들은 수학자, 물리학 자, 천문학 자와 이야기하고, 이론가들은 관찰자들과 이야기하고 일련의 예정된 사건들이 사람들이 정기적으로 함께 모일 수있는 장소를 만듭니다. .
예를 들어, 우리가 관심을 갖는 문제의 경우, 아인슈타인의 중력 이론의 고장을 나타내는 블랙홀 중심의 특이점을 고려하십시오. 양자 기계적 맥락에서 특이점은 어떤 모습일까요? 아마도, 그것은 작은 부피 내에서 거대한 질량 (천체 물리적 블랙홀에 대한 태양열 질량 이상)의 극심한 농도로 보일 것입니다. 천체 물리적 블랙홀에 빠진 모든 물질을 배수하는 저수지의 크기는 알려지지 않았으며 BHI 학자들이 일하는 미해결 문제 중 하나입니다.
우리는 BHI의 첫 번째 에세이 경쟁에 대한 많은 응용 프로그램에서 선임 교수가 신중하게 선택한 에세이 모음을 발표하게되어 기쁩니다. 우승 에세이는 에 여기에 출판 될 것입니다 향후 5 주 동안 Nautilus 5 위 피니셔부터 시작하여 1 위 피니셔로 일했습니다. 우리는 당신이 우리만큼 즐기기를 바랍니다.
—Abraham (Avi) Loeb
Frank B. Baird, Jr. 하버드 대학교 교수
하버드 천문학 부의장
블랙홀 이니셔티브 창립 이사 (BHI)
블랙홀은 우주에서 가장 극단적 인 대상입니다. 검은 색은 우리의 태양보다 10 억 배나, 은하계 전체 은하를 고정시키는 힘을 가진 덩어리로, 극단적 인 물체는 그것들을 연구 할 수있는 극단적 인 방법을 요구합니다. 실제로, 과학자들은이 보이지 않는 짐승들로부터 가능한 모든 신호를 선택하기 위해 많은 시간을 가졌습니다. 망원경은 우주로 발사되어 블랙홀에서 방출되었지만 대기를 통과 할 수없는 X- 선을 감지했습니다. 지중해 바닥에 배치 된 킬로미터 전체 중성미자 탐지기는 블랙홀 출생에서 나오는 기본 입자를 잡는다. 그리고 6 억 달러가 넘는 레이저 간섭계 중력 파 전망대를 구축하는 데 소요되는데, 이는 블랙홀 활동을 직접 관찰 할 수있는 첫 번째 기회를 제공합니다.
.그러나 망원경이나 수백만 달러의 장비가없는 블랙홀을 더 겸손한 방식으로 연구 할 수 있다면 어떨까요? 과학자들이 야생에서 그들을 쫓지 않고 실험실에서 그들을 쫓아 내고 그들의 행동을 자세히 그리고 자세히 연구 할 수 있다면 어떨까요?
이것은 아날로그 블랙홀의 세계입니다. 여기에서 과학자들은 유리, 물 및 가스 구름과 같은 가정이없는 재료를 사용하여 실험실과 탁상에서 블랙홀의 놀라운 물리학의 측면을 재현합니다. 블랙홀을 지구로 가져 오는 데있어 전통적인 은하 관찰 방법에 대한 중요한 보완을 제공하며 블랙홀의 고유 한 특성을 포함하는 새롭고 중요한 재료의 엔지니어링으로 이어질 수도 있습니다.
.아날로그 블랙홀의 논리는 간단하며 실제 블랙홀이 어떻게 작동하는지에 대한 믿음이 있다는 사실로 시작합니다. 예를 들어, 이벤트 수평선을 지배하는 방정식, 즉 중력의 당김이 너무 강해져 빛을 포함하여 그것을 통과하는 물질에 대한 반환이없는 지점을 만들어냅니다. 우리는 또한 동일한 방정식에 순종하지만 조작하고 측정하기가 훨씬 쉽습니다. 따라서 시간이 지남에 따라 발생하는 일을 테스트하고 싶다면 빛이 이벤트 지평을 통과하는 데 전달되는 경우에도 불구하고 블랙홀 가벼운 연말에 관찰하는 데 어려움을 겪고 싶지는 않습니다. 대신 동일한 규칙을 따르는 지구상에서 유체 시스템을 설정할 수 있습니다. 이 시스템에는 블랙홀 부품의 자체 버전이 있으며,이를 통과하는 파도에 대한 반환 지점을 포함하여 블랙홀 부분이 있습니다. 그런 다음이 시스템에서 수행 된 관찰은 블랙홀의 상대방에게 다시 매핑 될 수 있습니다. 이런 식으로, 방정식은 연극의 대본과 같은 기능을하고, 블랙홀은 한 세트의 액터 세트와 아날로그 시스템이 다른 세트를 캐스팅하는 것과 같은 기능을한다.
.유사체를 통해 블랙홀을 공부하는 영감은 비명을 지르는 물고기에서 나왔습니다. 1972 년, 물리학 자 윌리엄 Unruh는 블랙홀을 묘사하는 수단으로 불합리한 빠른 폭포 위로 떨어지는 물고기의 이야기를 생각해 냈습니다. 그는 폭포가 소리의 속도보다 빠르게 속도로 움직이면, 물고기가 떨어진 물고기의 비명 소리가 폭포 밖에서는 절대로 들리지 않을 것이라고 설명했다. 비명이 물이 물을 밀어내는 것보다 더 빨리 위로 움직일 수 없었기 때문입니다. 같은 방식으로 빛이 이벤트 수평선을 통과하면 블랙홀의 압도적 인 중력에서 벗어날 수 없습니다. 이 터무니없는 이야기는 단순한 삽화로 시작되었지만 Unruh는 결국 그것을 적절한 수학적 논증으로 만들어서 1981 년 논문에서 그러한“소닉”또는“청각 장애인”블랙홀이 수학적으로 실제 일에 수학적으로 매핑되는 방법을 보여주었습니다. 아날로그 블랙홀의 분야가 태어났습니다.
이러한 아날로그를 사용하여 어떤 블랙홀의 특성을 탐색 할 수 있습니까? 블랙홀이 증발 할 수있는 가설 된 수단 인 호킹 방사선은 존재가 불확실하지만 진실이라면 큰 결과적이기 때문에 연구의 주요 초점이되었습니다. 1974 년, Stephen Hawking은 일반적인 상대성 이론과 양자 역학에 대한 대부분의 양립 할 수없는 이론의 아이디어를 결합하여 블랙홀이 실제로 입자를 방출 할 수 있음을 보여 주므로 시간이 지남에 따라 줄어들고 심지어 사라질 것입니다. 따라서 블랙홀에서 매혹적인 방사선을 관찰하는 것은 물리학 의이 두 가지 기본 이론을 하나로 모으는 데 많은 노력을 기울일 것입니다. 그러나이 효과를“현장에서”측정하려고하는 데있어 한 가지 중요한 문제가 있습니다. 호킹 방사선은 너무 약해서 우주에 스며드는 우주 배경 방사선에 의해 완전히 사라질 것입니다.
.이러한 약한 그러나 중요한 신호를 감지하는 데 어려움은 대부분의 과학 분야에서 모델의 사용에 동기를 부여하는 것입니다. 예를 들어 생물학에서는 라이프 스타일 차이와 같은 다른 요인들에 의해 가려진 데이터에서 유전자의 기능을 식별하기가 어려울 수 있습니다. 따라서 생물 학자들은 유전자 변형이 알려져 있고 그 영향을 정확하게 측정 할 수있는 고도로 통제 된 실험실 환경으로 전환합니다. 통제와 정밀도에 대한 동일한 기회는 천체 물리학 자들이 망원경에서 실험실로 몰아 넣을 수 있습니다.
실험실로의 이주는 돈을 지불했을 수 있습니다. 2016 년 수년간의 작업을 마친 실험 물리학자인 Jeff Steinhauer는 Unruh 's Waterfall의 미니어처 버전의 결과를 발표했습니다. Steinhauer는 매우 차가운 루비듐 원자 구름으로 작은 바이알을 채웠습니다. 이 원자들은 소리의 속도가 엄청나게 느려지는 특수한 물질 상태로 들어가서이 시스템에서 초음속 속도를 쉽게 생성 할 수 있습니다. Steinhauer는이 시스템의 이벤트 수평선의 양쪽에서 한 쌍의“포논”이 얽히고 있음을 관찰했습니다. 이것은 블랙홀에서 호킹 방사선의 기초를 형성하는 것으로 여겨지는 광자 쌍과 유사합니다. 따라서 Steinhauer의 실험은 일부 정의에 따르면 매 킹 방사선의 양자 효과에 대한 첫 번째 관찰이었습니다.
아날로그 블랙홀과 함께 사용되는 다양한 재료와 미스터리가 탐구되었습니다. 예를 들어, 극심한 중력 풀로 생성 된 곡선 시공간을 통과 할 때 빛에 어떤 일이 발생하는지 조사하기 위해 세인트 앤드류 대학의 물리학 자들은 예상되는 빛의 감속을 복제하는 반응 형 광 섬유를 만들었습니다. 이 시스템은 또한 매혹 방사선의 징후를위한 또 다른 사냥터를 제공합니다.
다른 유형의 블랙홀마다 속성이 다릅니다. 예를 들어 회전하는 사람들은 근처에 오는 파도의 에너지에 긍정적 인 영향을 줄 것으로 예상됩니다. 이 효과는 이제 노팅엄 대학교 (University of Nottingham)에 설치된 간단한 욕조에서 나타 났으며, 그곳에서 물파는 가까이에 왔지만 탈출했습니다. 배수구는 진폭이 높아졌습니다.
.실험실에서 구축 된 블랙홀에 대한 또 다른 접근법은 가능한 한 많은 빛을 흡수하는 복합 재료의 엔지니어링에 중점을 둡니다. 이러한 "메타 물질"은 극단적 인 상황에서 빛이 어떻게 행동하는지에 대한 근본적인 질문에 대답 할 수 있습니다. 그 이상으로, 이들 재료의 존재는 블랙홀 과학을 넘어선 분야에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 조명 굽힘 장치는“보이지 않는 망토”의 생성 또는 매우 효율적인 태양 전지에 기여할 수 있으며, 가장 이국적인 과학적 노력조차도 일상 생활에 영향을 줄 수 있음을 보여줍니다.
아날로그 시스템은 일반적으로 우리의 도달 범위를 훨씬 뛰어 넘는 현상을 파악하는 수단으로서 귀중합니다. 그러나 비유로서, 그것들은 한계가 있으며, 우리는 너무 멀리 스트레칭하지 않도록주의해야합니다. 의료 과학자들이 동물에게 작용하는 치료가 인간에게 효과가 있다고 가정 할 수없는 방식과 마찬가지로, 물리학 자들은 이러한 경작 된 블랙홀에서 발견 된 결과를 자연스럽게 태어난 사촌과 관련시켜야합니다. 실제로, 소닉 블랙홀에서 호킹 방사선과 유사한 효과를 관찰하는지에 대한 문제는 실제 자리에서 일어나는 일에 대한 어떤 것과 관련이 있습니다. 그들의 수학의 유사성은 이러한 모델이 고유 한 기능과 경고를 가진 각 모델에도 불구하고 보편적 인 무언가를 연구하는 방법을 제공하기를 희망합니다. 과학의 철학자 Radin Dardashti에 따르면, 다양한 아날로그 시스템의 다양한 아날로그 시스템을 연구하는 것은 실제로 좋은 일이 될 수 있습니다. 여러 다른 유사체에서 호킹 방사선의 증거를 찾는 것이 블랙홀에서 발생한다고 믿는 경우를 강화해야하기 때문입니다.
.우주 엑스레이 망원경과 수중 입자 탐지기는 우주의 큰 문제에 대한 비교할 수없는 통찰력을 제공하는 공학의 위업이며, 블랙홀 연구에서의 유용성은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 과학적 도구 상자의 경우 다양성이 핵심입니다. 실험실에서 블랙홀을 배양 할 수있는 방법을 제공함으로써 아날로그 시스템은 하늘에서 가장 신비로운 실체 중 하나를 탐색, 테스트 및 관찰 할 수있는 완전히 새로운 환경을 제공합니다.
Grace Lindsay는 신경 과학이자 과학 작가입니다. 그녀는 현재 수학이 우리가 뇌를 이해하는 데 어떻게 도움이되는지에 관한 책을 연구하고 있습니다.
이 에세이는 블랙홀 인스티튜트의 에세이 콘테스트에서 1 위를 차지했습니다.
추가 읽기
Bourzac, K. 메타 물질로 블랙홀 만들기. Technologyreview.com (2009).
Castelvecchi, D. 인공 블랙홀은 자체 버전의 호킹 방사선을 만듭니다. 자연 뉴스 (2016).
Dardashti, R., Thébault, K.P.Y. 및 Winsberg, E. 아날로그 시뮬레이션을 통한 확인 :멍청한 구멍이 중력에 대해 알려줄 수있는 것. 과학 철학에 대한 영국 저널 68 , 55-89 (2015).
Das, S. 물리학 자들은 광섬유를 사용하여 인공 블랙홀을 만듭니다. Spectrum.ieee.org (2008).
Grush, L. Stephen Hawking의 가장 큰 업적이 상대의 물리 세계를 연결하는 방법. theverge.com (2018).
물리 연구소. 블랙홀 - 우리 우주의 필수 요소. iop.com (2012).
노팅엄 대학교. 과학자들은 블랙홀로 파도를 만듭니다. Research.nottingham.ac.uk (2017).
Wolchover, N. Sonic Black Holes가 실제 거래에 대해 말하는 것. Wired.com (2016).
리드 이미지 콜라주 크레딧 :Vadim Sadovski / Shutterstock
