이 에세이는 하버드 대학교의 블랙홀 이니셔티브가 개최 한 2019 년 작문 대회에서 5 명의 우승자 중 하나입니다. Avi Loeb의 BHI 디렉터는“블랙홀 이니셔티브는 블랙홀 주제에 대해 더 창의적이고 포괄적으로 생각할 수있는 독특한 환경을 제공합니다. 4 월 10 일 천문학자가 처음으로 블랙홀을 관찰했다는 흥미로운 발표에 맥락을 더하기 위해 Nautilus 는 5 개의 우승 에세이를 모두 갖추고 있습니다.
블랙홀은 존재가 처음 제안 된 이래로 우리의 상상력을 사로 잡은 신비한 물체입니다. 블랙홀의 가장 눈에 띄는 특징은 이벤트 수평선입니다. 물체는 외부에서 내부로 이벤트 지평을 건너 갈 수 있지만 일단 그렇게하면 결코 교차 할 수 없으며 정보에 대한 정보는 없습니다. 블랙홀의 이벤트 수평선을 가로 지르는 모든 것은 외부 우주에서 완전히 차단됩니다.
수년 동안, 블랙홀의 존재는 열역학 제 2 법칙이라고 불리는 현대 물리학의 기본 원칙을 위협하는 것처럼 보였다. 이 법은 우리가 과거를 미래와 구별하여“시간의 화살표”를 정의하는 데 도움이됩니다. 블랙홀이 왜이 위협을 제기했는지 이해하려면 시간 반전과 엔트로피에 대해 논의해야합니다.
엔트로피와 시간의 화살표
우리의 관찰에 근거하여, 물리 법칙은 시간 반전에서 (대부분) 불변입니다. 이것이 무엇을 의미합니까? 친구가 다음과 같은 비디오를 보여준다고 상상해보십시오. 진자가 왼쪽에서 오른쪽으로 화면을 가로 질러 스윙합니다. 이 비디오가 정상적으로 또는 반대로 재생되고 있습니까? 글쎄, 당신은 확실히 전에 다른 방식으로 진자 스윙을 보았습니다. 물리 법칙이 시간 반전에서 변하지 않으면 실제로 말할 방법이 없습니다.
그러나 이것은 우리의 일상적인 경험으로 지식이 아닌 것 같습니다. 세라믹 파편이 바닥에서 날아가서 테이블 위에 휴식을 취하기 전에 커피 머그잔에 모이는 또 다른 비디오를 고려하십시오. 이 비디오가 앞으로 또는 뒤로 재생되고 있습니까? 대부분의 사람들은 비디오가 반대로 재생되고 있다고 합리적으로 추측 할 것입니다. 물리 법칙이 시간 반전에서 진정으로 변하지 않는다면 왜이 직관이 우리에게 그렇게 분명해 보입니까? 그 이유는 물리학의 법칙 기술적으로 이 기괴한 과정이 비디오에서 볼 수 있듯이, 부러진 머그잔이 많은 입자로 구성되어 있다는 사실은 자발적으로 자발적으로 재 조립하는 것이 본질적으로 불가능하다는 것을 의미합니다.
.이 개념은 열역학 제 2 차 법칙에 의해 공식화되며, 이는 특정 양, 엔트로피 s 임을 알려줍니다. , 모든 분리 된 시스템 중 시간이 지남에 따라 감소 할 수는 없지만 증가 할 수 있습니다. 다시 말해, 엔트로피의 변화는 음성이 될 수 없습니다 :
∆ s ≥ 0.
엔트로피 s 우리가“거시적”(대규모) 정보 만 알면 시스템의 기본 상태에 대한 지식 부족을 측정하는 통계적으로 정의 된 개념입니다. 여기서 "상태"라는 의미에서, 우리는 각 입자의 정확한 구성이 전체 시스템을 구성한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 가스로 채워진 상자를 고려하십시오. 가스의 온도와 압력을 쉽게 측정 할 수 있지만 상자 내 각 가스 입자의 위치와 속도를 알 수는 없습니다. 실제로, 동일한 온도와 압력을 야기하는 입자 위치와 속도, 즉 상태의 많은 구성이 있습니다. 엔트로피는 시스템이 실제로 어떤 특정 상태인지에 대한 무지를 인코딩합니다.
동일한 온도 및 압력과 일치하는 상태의 수가 많을수록 엔트로피가 커집니다.
엔트로피가 시간이 지남에 따라 감소 할 수 없다는 사실 - 그러나 증가 - 인과 관계라는 추가 속성과 결합 된 시간 반전에서 불변으로 인한 증가. 이들은 함께 시스템의 단일 상태가 과거 또는 미래의 어느 시점에서도 정확히 하나의 상태에 해당한다고 말합니다. 예를 들어, 한주는 미래의 어느 시점에서 두 주가 될 수없고, 두 국가는 한 주가 될 수 없습니다.
이제 가스 상자를 넓은 방에 열 때 어떻게되는지 고려하십시오. 가스가 상자에서 시작된 다음 그림 1a에서와 같이 방을 채우기 위해 흘러 나오면 상자의 각 초기 상태가 방의 고유 한 최종 상태로 진화한다는 규칙을 쉽게 만족시킬 수 있습니다. 이 과정에서 실내의 모든 입자에 세심한주의를 기울이면 각 초기 상태가 단일 최종 상태로 진화하기 때문에 엔트로피가 증가 할 수는 없지만 많은 변수를 추적 할 수는 없습니다. 우리가 할 수있는 것은 상자를 여는 후 온도와 압력을 측정하는 것입니다. 우리는 새로운 온도 및 압력과 일치하는 전체 방에 가스의 더 많은 가능한 가스 상태가 있음을 알게 될 것입니다. 이 과정에서 우리는 입자의 정확한 구성에 대한 정보를 잃고 엔트로피가 증가합니다. 대신 가스가 방에서 시작된 다음 그림 1b에서와 같이 상자로 흘러 들어가면 방의 초기 상태의 대부분은 갈 곳이 없습니다. 단순히 상자에 상태가 충분하지 않습니다. 따라서 엔트로피는 감소 할 수 없습니다!
열역학의 두 번째 법칙은 이제 우리에게“시간의 화살표”에 대한 감각을줍니다. 물리 법칙이 시간이 되돌아 다니는 사실에도 불구하고, 엔트로피의 통계적 개념은 우리가 시간 동안 전진 방향을 정의 할 수있게한다 :시간은 엔트로피가 증가하는 방향으로 전진한다! 그렇기 때문에 우리는 자발적으로 재 조립 커피 머그잔의 비디오가 반대로 연주해야한다고 생각합니다.
블랙홀과 엔트로피
이제이 모든 것이 블랙홀과 어떤 관련이 있습니까? 양자 물리학이없는 세상에 존재하는 종류 인 고전적인 블랙홀은 엔트로피가 없습니다. 물리학 자 제이콥 베켄 슈타인 (Jacob Bekenstein) 은이 고전적인 블랙홀에는“머리카락이 없다”고 말했다. 고전적인 블랙홀에는 몇 가지 측정 가능한 특성 만있다는 것을 의미한다. 질량 (얼마나 큰지), 각도 운동량 (회전 얼마나 빨리) 및 전하 (정적 전기를 구축 함). 물체가 블랙홀에 빠지면이 세 가지 수량에 기여하지만 그 외에는 그 정보에 대한 정보가 영원히 손실됩니다.
.이것은 열역학 제 2 법칙에 큰 문제입니다! 블랙홀에 진정으로 엔트로피가 없다면, 물체가 블랙홀에 빠질 때마다 엔트로피가 효과적으로 삭제되어 우주의 엔트로피를 줄이고 열역학의 제 2 법칙을 위반합니다. 열역학 제 2 차 법칙이 없다면 왜 우리는 커피 머그잔이 일상 생활에서 스스로를 재 조립하는 것을 보지 않아야합니까?
이 문제에 대한 해상도는 양자 물리학을 믹스에 추가하는 것입니다. 1974 년 스티븐 호킹 (Stephen Hawking) 후기는 위의 세 가지 특성 외에도 블랙홀은 현재 호킹 온도로 알려진 온도를 가지고 있음을 보여주었습니다. 온도의 열역학적 정의는 에너지의 변화와 엔트로피의 변화와 관련이 있으므로이 계시는 호킹이 블랙홀이 실제로 임을 보여줄 수있었습니다. 열역학 제 2 법칙과 일치하는 엔트로피가 있습니다. 사실, 이벤트 수평선의 표면적이 증가하면 블랙홀의 에너지가 증가하기 때문에 블랙홀의 엔트로피는 표면적에 비례하는 것으로 밝혀졌으며, 사실은 원래 Bekenstein이 추측 한 사실입니다.
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호킹의 호킹 온도의 정확한 가치에 대한 호킹의 발견은 비례의 상수를 계산할 수있게 해주었다. 
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펀치 라인은 블랙홀 입니다 우리가 기대했던대로 엔트로피를 가지고 있으며, 그들이 얼마나 큰지를 보면서 그들이 얼마나 많은지 알 수 있습니다. 블랙홀에 엔트로피가 있다는 것을 알면, 우리는 블랙홀 외부의 우주뿐만 아니라 사건 지평의 우주를 포함하는 새로운 형태의 열역학적 법칙을 가지고 있습니다.
앤드류 터너 (Andrew Turner)는 MIT 이론 물리학 센터의 대학원생으로, 현악 이론과 초고심에 대한 연구를 수행합니다. 원래 미주리 주 애쉬 랜드 출신 인 그는 하비 머드 칼리지 (Harvey Mudd College)를 졸업했습니다.
Alex Tinguely는 MIT 물리학과의 대학원생으로 혈장 과학 및 퓨전 센터에서 퓨전 에너지 연구를 수행합니다. 그는 원래 아이오와 주 포트 매디슨 출신입니다.
이 에세이는 블랙홀 연구소의 에세이 콘테스트에서 4 위를 차지했습니다.
리드 이미지 크레딧 :Evadeb / Shutterstock
이 기사는 원래 2019 년 1 월의 "컨텍스트"문제에 출판되었습니다.
