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 우리 우주에서 가장 이상한 현상 중 일부입니다. 여기서, 우리는 먼저 그것들을 고전적인 물리 이론의 대상으로 논의하고자합니다. 여기서 고전적인 것은 가능한 모든 양자 효과와 그 결과를 잊어 버린다는 것을 의미합니다. 이 경우 근본적인 고전 이론은 아인슈타인의 중력 이론입니다. 아인슈타인 방정식에 의해 행동이 지시되는 필드 모음의 관점에서 공간과 시간을 설명합니다.
자연스러운 질문 중 하나는이 이론이 별과 같은 거대한 구형 대상 주변의 공간과 시간을 어떻게 설명합니까? 이에 대한 해결책은 Schwarzschild가 발견했습니다. 그것은 모든 정적 둥근 물체 주위에 유효하며, 현저히 질량에만 의존합니다. 그러나 모든 질량이 Schwarzschild의 이름을 딴 특정 반경 내에 포장 될 때 상당히 이상한 일이 일어날 수 있습니다. 그런 다음 Schwarzschild 반경에서 소위 이벤트 수평선이 형성되고 우리는 블랙홀에 대해 이야기하기 시작합니다.
.블랙홀의 이상한 점에 대해 더 많은 빛을 비추기 전에 블랙홀이 나타날 수있는 상황에 대한 직관을 얻으십시오. Schwarzschild 반경 r s 그리고 질량 m 구형 대상 중에서 매우 쉬운 관계를 가지고 있습니다. 그들은 서로 비례합니다. r s = a x m , a 표준 단위로 측정 할 때 매우 작습니다. 예를 들어, 지구 질량이있는 물체를 고려해 보자, Schwarzschild 반경은 약 9 밀리미터 만 주어집니다! 지구의 모든 지구를 많이 압축 할 수있는 물리적 과정은 알려져 있지 않으며 지구 질량이있는 많은 (전혀) 블랙홀이 많을 가능성은 거의 없습니다. 우리가 더 크고 더 큰 질량을 고려할 때 상황이 바뀝니다. 이것은 Schwarzschild 반경 내의 부피, 즉 블랙홀을 형성하기 위해 모든 질량을 저장할 수있는 공간이 훨씬 빨리 증가하기 때문입니다. 실제로, 우리가 질량을 두 배로 늘리면 약 8 배 더 많은 양이 걸어 보관할 수 있습니다. 블랙홀의 형성은 더 무거울수록 쉬워집니다. 매우 거대한 별의 수명이 끝날 무렵 소위 스타일 블랙홀의 형성으로 이어지는 메커니즘이있는 것으로 알려져 있습니다. 예를 들어 더 무거운 블랙홀조차도 스타일이 합쳐지면 발달 할 수 있습니다.
약속 된 블랙홀의 이상한 것으로 돌아가 봅시다. 실제로, 우리가 블랙홀에서 멀리 떨어져 있다면, 그것은 같은 질량의 다른 항성 물체와 크게 다르지 않습니다. 유일한 큰 차이점은 우리가 블랙홀에서 유래 한 빛을 보지 않는다는 것입니다. 우리가 그것에 더 가까워 질 때 발생하는 흥미로운 효과는 블랙홀에서 멀리 떨어진 사람들보다 우리를위한 시간이 느리게 통과된다는 것입니다. 그러나 그 효과는 직접적인 방식으로 다루기 쉬운 것이 아닙니다. 우리가 가지고 다니는 시계는 우리의 관점에서 완전히 잘 행동합니다. 우리가 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳으로 돌아와서 지나간 시간을 비교하면 차이를 볼 수 있습니다. 이 효과는 실제로 우리가 가까이 오는 거대한 물체에 대해 보이며 블랙홀의 특징 일뿐입니다. 아인슈타인의 방정식에 대한 해결책은 특히 구형 대상 외부에서 시간이 어떻게 행동하는지 알려줍니다. 그러나 블랙홀이 아닌 별의 물체의 경우 어느 시점에서 그 물체에 도달하여 입력 할 것입니다. 그 안에서 솔루션은 그 세부 사항에 따라 다릅니다. 시간 팽창과 같은 효과가 임의로 더 이상 증가 할 수 없음을 보여줄 수 있습니다. 그러나 우리가 블랙홀에 더 가까워지면 앞에서 언급 한 이벤트 지평에 도달 할 때까지 효과가 커질 것입니다.
이벤트를 통과하면 Horizon이 심각한 결과를 초래합니다. 예를 들어, 무한한 시간 팽창에 대한 후자의 관찰을 진지하게 받아들이면, 우리는 우리가 지평선에서 지출하는 순간에 블랙홀 밖에서 모든 시간을 통과한다는 결론에 도달합니다. 모든 일의 끝은 우주의 나머지 부분에서 발생하며, 실제로 우리가 블랙홀에 들어가는 순간 이후에는 돌아갈 길이 없습니다. 이것은 또한 Schwarzschild의 솔루션의 놀랍고 이상한 기능에서도 볼 수 있습니다. 우리가 이벤트의 내부와 외부에서 그것을 비교하면 Horizon One은 글로벌 시간과 방사형 방향이 그 의미를 상호 교환한다는 것을 관찰합니다. 블랙홀 외부의 세상에서 모든 것이 제 시간에 앞으로 나아가 야합니다. 이것은 아인슈타인 이론의 근본적인 특징입니다. 이벤트 수평선 내부에서 방사형 방향은 시간을 대신하여 과감한 결과를 가져옵니다. 우리는이 방향으로 앞으로 나아가 야합니다. 실제로 돌아갈 길이 없습니다! 우리가 상상할 수있는 가장 강력한 로켓조차도 우리가 마침내 블랙홀의 중심에 도달하지 못하게 할 수는 없습니다. 여기서 중력 세력은 밀접하게 강해지고 최근에는 블랙홀과 중력 자체의 양자 특징이 얼굴을 보여 주어야합니다.
.그러나 블랙홀의 다른 양자 측면은 훨씬 일찍 볼 수 있습니다. 그들 중 일부는 다음에 대해 논의 될 것입니다.
양자 세계와의 접촉 및 정보 처리
우리는 Schwarzschild의 해결책이 물체의 질량에만 달려 있다는 것을 보았습니다. 그러나 블랙홀에 무너진 물체에 대한 모든 정보는 어떻게됩니까? 그것은 많은 다른 입자로 구성되었으며, 온도, 물질 분포, 특정 방사선 스펙트럼 등을 가졌습니다. 우리가 고전 세계 만 믿는다면, 블랙홀이 형성된 후 모든 정보가 이벤트 지평 뒤에 숨겨져 있습니다. 그런 다음 블랙홀 외부의 모든 사람에게는 결코 다루기 쉬운 것이 아닙니다. 고전 세계에서 이것은 큰 문제가 아닙니다. 블랙홀 외부의 어느 누구도 정보를 얻을 수 없지만 이론의 일관성에 관한 문제를 일으키지 않는 것이 가장 슬프다.
그러나 우리는 우리의 세상이 실제로 고전적인 것이 아니라는 것을 알고 있으며, 우주에서 적어도 일반적인 문제를 묘사하는 양자 이론에 대한 우리의 지식은 다소 괜찮습니다. 이 지식을 사용하여 호킹은 블랙홀의 이벤트 지평 근처의 양자 효과가 입자로부터 일정한 흐름을 이끌어 낸다는 것을 보여줄 수 있습니다. 블랙홀은 방출되므로 시간이 지남에 따라 질량을 느슨하게해야합니다. 우리가 충분히 오래 기다리면 블랙홀이 완전히 또는 약간의 잔재가 남아있을 때까지 증발합니다.
증발 후 모든 정보는 어디에 있습니까? 이제 우리는 블랙홀에 대한 설명에 약간의 양자를 포함 시켰 으므로이 질문은 매우 중요해집니다. 양자 정보의 무의미한 처리는 쉽게 불일치로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 블랙홀 내부에서 정보가 매우 빠르게 퍼져야합니다. 그렇지 않으면 일관된 양자 이론에서 엄격하게 금지 된 양자 상태를 복사 할 수 있습니다. 솔직히 말해서, 블랙홀이 양자 정보를 어떻게 다루는 지에 대한 물리학 커뮤니티간에 실질적인 합의는 없습니다. 한 가지 가능성은 호킹 방사선에 숨겨져있을 수 있습니다. 우리가 충분히 오래 기다렸다가 충분한 양의 양을 수집하면 원하는 모든 정보를 회복 할 수 있습니다. 그러나, 더 많은 gedankenexperiments가있다 비슷한 문제와 관련하여. 양자 세계와 접촉하는 블랙홀에 대한 설득력 있고 일관된 설명을 찾는 것은 아마도 중력 자체에 대한 양자 설명을위한 중요한 단계 일 것입니다. 이것은 이론 물리학의 다음 큰 단계 중 하나 일 수 있습니다!
마지막으로, 블랙홀의 양자 효과가 얼마나 중요한지에 대한 직관을 얻으십시오. 우리가 처음으로 태양의 질량의 4 배의 평범한 항성 블랙홀을 먼저 고려한다면, 호킹 방사선은 절대 온도보다 약 1 억 5 천만 켈빈*의 온도와 관련 될 수 있습니다. 따라서 그 블랙홀의 일상적인 물리학을 묘사하는 데 거의 역할을하지 않습니다. 이것은 모든 별 (또는 더 무거운) 블랙홀에 해당됩니다. 다음으로 5 그램의 동전을 고려해 봅시다. 그 동전의 양자 효과는 일상적인 물리학에서 중요한 역할을하지 않습니다. 그것은 고전 이론에 의해 거의 완벽하게 설명 될 수있다. 그러나 우리가 같은 질량의 블랙홀을 고려하면 상황이 다소 다릅니다. (부분적으로) 양자 물체로서 그것은 초의 작은 부분 내에 방출되고 증발합니다. 모든 질량은 에너지로 전환되어 히로시마에서 폭탄이 떨어진 폭탄보다 3 배 더 강한 폭발이 발생합니다. 우리는 블랙홀의 경우 평범한 상황에서 물질보다 훨씬 일찍 중요한 역할을한다는 것을 알 수 있습니다.
Enrico Brehm은 Potsdam의 Albert Einsteint Institute의 박사후과입니다. 그는 슈투트가르트와 하이델베르크에서 학부를했으며 그 후 뮌헨의 LMU의 문자열 이론 그룹에 합류하여 박사 학위를 받았습니다. Ilka Brunner에서 공부하는 학생.
이 에세이는 블랙홀 연구소의 에세이 콘테스트에서 5 위를 차지했습니다.
* Kelvin은 물리학의 기준의 표준 척도입니다. 온도에서 한 켈빈의 변화는 섭씨 1 도의 변화와 동일합니다.
참조
1. 아인슈타인, A. 다이 그 룬드 레이지 der allgemeinen relativitätstheorie. Annalen der Physik 354 , 769-822 (1916).
2. 호킹, S.W. 블랙홀에 의한 입자 생성. 수학 물리학의 커뮤니케이션 43 , 199-220 (1975).
3. Oppenheimer, J.R. &Volko, G.M. 거대한 중성자 코어에. 물리적 검토 55 , 374-381 (1939).
4. Schwarzschild, K. 아인슈타인의 이론에 따라 질량 지점의 중력장. abh. 코니글. preuss. 아카드. Wissenschaften 189-196 (1916).
이 기사는 원래 2019 년 1 월의 "컨텍스트"문제에 출판되었습니다.
