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)
길과 길은 하나는 동일합니다.”라고 세이지는 말합니다.
역설은 생각을 괴롭히는 방법을 가지고 있습니다. 그것은 우리의 경험에서 우리가 이해하는 개념의 불일치와 부적합을 밝힙니다. 그것은 이해 그 자체만큼 이해의 틀을 의심합니다. 모순을 지나치게 보이기 위해 사고의 탑이 세워질 수있는 모든 사고의 탑이 쌓이고 약간의 섭동으로 무너집니다. 그러나 우리가 충분히 능숙하게 사용한다면 그것은 또한 주현절의 도구가 될 수 있습니다. 철학자 헤라 클리 투스 (Heraclitus)는 이것을 이해했지만, 역설에 대한 그의 친화력은 그에게 그의 동료들로부터“모호한”상피를 얻었습니다. 오늘날 물리학 자들은 블랙홀의 본질에 대한 더 깊은 이해에 도달하기 위해 역설을 받아 들여야합니다.
Heraclitus의 경우, 생각의 어려움은 우리가 세상을 처리하는 방식에 내재되어있었습니다. 자연에 대한 우리의 외부 경험은 직접적으로 처리되지 않고 오히려 발전하고 시간이 지남에 따라 서로 연결되는 개념의 웹을 통해 필터링됩니다. 우리가 조심하지 않으면 자연을 이해하는 데 사용하는 개념과 범주의 혼란은 자연 자체와 혼동됩니다. 우리는 세상이 어떻게 보이는지 알려주는 렌즈 역할을하는 모델과 이론을 개발합니다. 그러나 때로는 다른 모델, 다른 개념, 즉 세상이 우리가 만든 웹에 잘 맞지 않는 결과입니다. 그래서 그것은 역설입니다. 역설은 우리가 역설적 인 것이 무엇인지 이해하는 방식이 우리가 사용하는 렌즈에 의존하기 때문에 우리를 좌절시킵니다. 생각할 때, 우리는 비 물질적 인 차이점을 소개하고 역설은 그들을 통해 삭감합니다.
Heraclitus는“원에서 시작과 끝은 일반적입니다.
상황은 물리학에서는 사실이 아니며 블랙홀 연구보다 물리학 내에서 더 분명하지 않습니다. 블랙홀은 현대 물리학에서 특권이있는 곳을 차지하며, 핵심 인 블랙홀의 특이점과 마찬가지로 가장 성공적인 물리적 모델 (흐린 어두운 렌즈) 중 두 가지가 충족 될 것으로 기대합니다. 일반 상대성 이론은“시공간은 움직이는 방법을 말해주는 프레임 워크를 설명합니다. 물질은 시공간에게 구부러지는 방법을 알려줍니다.”물리학 자 John Wheeler가 유명하고 간결하게 설명했듯이. 이론의 방정식은 본질적으로 기하학적이며 수학 분야에서 차용하여 추상 수학적 대상의 다양한 형태를 연구합니다. 그것은 모양과 곡률 측면에서 중력 현상을 설명하고, 시공간을 그 안에서 움직이는 대중에 대한 응답으로 구부러지고 확장하는 물체 자체로 취급합니다. 공간과 시간은 더 이상 행동이 이루어지는 단계가 아니라 오히려 그 단계의 플레이어가 그 자체로 그 자체로 해당 단계입니다.
이러한 프레임 워크 중 두 번째 인 양자 이론은 완전히 다른 짐승입니다. 그것은 가장 작은 척도에서 입자와 빛의 거동을 종종 혼란스러운 용어로 설명합니다. 그러나이 혼란의 대부분은 우리 자신의 얽힌 생각의 웹에서 발생하며, 일상 경험의 고전적인 세계를 이해하도록 개발되고 훈련되었습니다. 임의의 양자 이론에서, 입자와 같은 물체는 일련의 연속 상태를 통해 규정 된 방식으로 제 시간에 진화하는 주어진 양자 상태를 갖는다. 그러나이 상태의 속성은 이상합니다. 아마도 모든 속성의 가장 근본적으로 양자 인 얽힘은“여기”와“여기”가 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 여기의 양자 물체와 양자 물체 사이의 이상한 상관 관계를 일으 킵니다 (아인슈타인이“거리에서 으스스한 행동”으로 여겨지는 속성이기도합니다. 시공간은 밀접하게 검사되면 가상 입자가 튀어 나오고 존재하지 않는 가상 입자로 가득 차서 진공을 플럭스의 양자 폼으로 만듭니다. 그럼에도 불구하고 세상의 양자 이상함에도 불구하고 이론은 입자의 행동을 놀라운 정도로 적절하게 예측합니다.
Heraclitus는“물건이 재편성을 찾는 것이 바뀌는 데 있습니다.
블랙홀은 각 이론의 경계에서 자리를 차지하고 둘 다 불편하게 자리를 차지합니다. 여기서 우리의 이론은 분리됩니다. 첫 번째 징후는 무언가가 일반 상대성의 방정식에서 나온다는 것을 나타냅니다. 시공간의 곡률을 설명하는 방정식은 수학의 추기경 죄 (제로)의 기본적 죄를 제로하여 과정에서 무의미한 무한을 불러 일으킨다. 마치 시공간의 직물이 실제로 단수 성이 존재하는 경우에 배치 된 엄청난 스트레스에서 실제로 구멍을 뚫는 것처럼, 우리의 방정식은 설명하기가 좋지 않은 것입니다. 비슷한 고장을 가진 다른 고전 이론에서, 양자 이론은 구조에왔다. 20 세기 전반기의 물리학 연구의 대부분은 고전 이론을“양자화”하는 것 :물체를 양자 용어로 묘사하여 이러한 무의미한 설명을 제거했습니다. 그러나 일반 상대성 이론으로 동일한 과정이 시도 될 때 양자 중력 이론을 기록하려고 시도하면 수학적 문제보다 훨씬 앞서 개념적 문제가 발생합니다. 시공간이 시간이 지남에 따라 진화하는 양자 상태를 갖는 것으로 어떻게 설명 할 수 있습니까? 시간?
이론들 사이의 그러한 어두운 풍경에서, 역설은 앞으로 나아갈 길입니다. Heraclitus의 천재는 언어가 묘사하기가 부적절하다는 진실을 설명하는 도구로서 역설을 활용하는 능력입니다. 물리학에서 블랙홀 정보 역설은 블랙홀 모호성의 늪에서 나오는 가이드입니다. 이 역설은 양자 이론과 일반 상대성 사이의 근본적인 갈등을 포착합니다. 블랙홀이 일반 상대성이라는 요구가 어떻게 요구되는지에 따라 블랙홀에 빠지는 물체는 양자 이론이 어떻게 요구되는지 행동 할 수 없다고 말합니다. 반대로, 블랙홀에 떨어지는 양자 물체가 예상대로 작동한다면 블랙홀에 대한 기하학적 설명에 결함이 있어야합니다. 우리가 특권을 가진 이론이라면 다른 사람은 제쳐야합니다.
역설은 두 가지 사실에서 발생합니다. 하나는 양자 시스템이 "단일"방식으로 진화한다는 것입니다. 즉, 시스템의 양자 상태를 한 번에 주어지면, 다른 시간의 양자 상태는 고유하게 결정될 수 있습니다. 국가에 대한 정보는 보존되어 있다고합니다. 두 번째는 블랙홀이 증발한다는 것입니다. 일반 상대성에 따라 그들은 그들과 함께 떨어진 것에 대한 정보를 가져옵니다. 블랙홀이 초기 양자 시스템에 대한 정보가 불완전한 후 시공간 관찰자에게. 그들은 더 이상 초기 상태를 결정할 수 없으며 양자 정보가 파괴 된 것처럼 보입니다.
이 역설에 맞서기 위해 연구원들은 발판을 찾기 시작했습니다. 물리학 자들은 해상도를 찾기 위해 양자 이론과 기하학 간의 연결이 양자 역학과 지오메트리 사이에 이중성을 제공함으로써 역설을 완화시키기 위해 제공하는 양자 이론과 중력에 고유 한 중력 사이의 연결을 발견했습니다. 한 렌즈를 통해 양자 이론처럼 보이는 이론은 다른 렌즈를 통해 중력 이론처럼 보일 수 있습니다. 이것은 홀로그램 원리입니다 (제안 된 바와 같이 우주는 실제로 라고 제안하지 않습니다. 공상 과학에서 발견 된 다양성의 홀로그램). 두 관점 사이의 사전이 발전하기 시작했으며 연구자들은 한 이론의 일부 측면을 다른 이론의 일부 측면을 이해할 수있었습니다. ER =EPR (아인슈타인-로스 브릿지에 상징) (아인슈타인-포도 스키-로스 쌍, 얽힌 물체 쌍) 에서이 조사 라인의 한쪽 끝점. Juan Maldacena와 Leonard Susskind가 제안한이 아이디어는 2 개의 얽힌 양자 시스템의 거동이 마이크로 웜 홀로 연결된 2 개의 분리 된 시스템에 의해 이중적으로 설명 될 수 있다고 추측합니다. 양자 이상함이 다른 이상한 형상에있는 것만 큼 한 렌즈에서 나타나는 것.
역설에 대한 진정한 헤라 클리 테인의 포용은 더 나아가 이론의 유형 사이의 이론적 차이를 비 물질적으로 인식 할 것이다. 우리는 일부 대상을“양자”로 묘사하고 일부는“기하학적”으로 묘사하는 것은 우리의 경험을 처리하는 개념의 vexing 웹의 결과입니다. Heraclitus에게는 일부 특성의 분류가 양자 라벨이 붙어 있고 일부 기하학적 인 특성은 인공적입니다. 이러한 차이점에 대한 우리의 의존은 우리가 자연을“유리를 통해 어둡게,”보는 것을 종결합니다. 그러나 역설의 모순으로 무장하고 우리의 개념의 한계를 끊임없이 밀고 조사하면서 명확한 순간을 얻을 수 있습니다. Heraclitus는 중력과 양자 역학이 동일하기 때문에 특이점에서도 중력과 양자 역학 사이에는 갈등이 없다고 말할 것입니다. 얽힘은 기하학입니다.
길은 길입니다.
확실히,이 명확성의 순간의 충만 함은 아직 멀다. ER =EPR 추측은 추측으로 남아 있으며, 즉시 미래에도 계속 그렇게 할 것입니다. 그리고 블랙홀 연구의 다른 경로는 ER =EPR이 제안한 통일성을 피하는 역설에 대한 해상도를 제시한다. 분명한 것은 물리학 자들이 자연을 이해하는 데 역설의 역할을 받아 들여야한다는 것입니다. 모순 된 것과의 그러한 안락함은 거의 쉽지 않으며, 최종 명확성은 결코 보장되지 않습니다. 아마도 그렇게 될 것입니다.
Heraclitus는“숨겨진 조화는 명백한 것보다 낫습니다.
Gabriel Lynch는 최근 시카고 대학교를 졸업했으며 물리학을 공부하고 블랙홀과 양자 정보에 대한 연구를 수행했습니다. 그는 시카고 근처에 산다.
이 에세이는 블랙홀 연구소의 에세이 콘테스트에서 3 위를 차지했습니다.
추가 읽기
Maldacena, J. &Susskind, L. 얽힌 블랙홀을위한 Cool Horizons.
Wald, R.M. 일반 상대성 시카고 대학교 출판부 (2009).
휠 라이트, P.E. Heraclitus 옥스포드 대학 출판부 (1959).
