소개
1970년대 초 프린스턴 대학교에서는 유명한 이론물리학자인 존 휠러(John Wheeler)가 세미나나 즉석 복도 토론에서 큰 "U"를 그리는 모습을 볼 수 있었습니다. 문자의 왼쪽 끝은 모든 것이 불확실하고 모든 양자적 가능성이 동시에 일어나고 있는 우주의 시작을 나타냅니다. 때로는 눈으로 장식된 편지의 오른쪽 끝 부분에는 시간을 거슬러 올라가는 관찰자의 모습이 그려져 U자의 왼쪽이 존재하게 됩니다.
휠러가 말한 이 "참여 우주"에서 우주는 U 주위에서 팽창하고 냉각되어 구조를 형성하고 결국 인간 및 측정 장치와 같은 관찰자를 만들었습니다. 이 관찰자들은 초기 우주를 되돌아보면서 어떻게든 그것을 현실로 만들었습니다.
당시 휠러의 박사과정 학생이자 시카고 대학의 이론 물리학자인 로버트 M. 월드(Robert M. Wald)는 "그는 '어떤 현상도 관찰된 현상이 되기 전까지는 진정한 현상이 아니다'와 같은 말을 하곤 했습니다."라고 말했습니다.
이제 Wald와 그의 동료들은 블랙홀의 지평선에서 양자 이론이 어떻게 작용하는지 연구함으로써 Wheeler의 참여 우주를 암시하는 새로운 효과를 계산했습니다. 그들은 블랙홀의 단순한 존재만으로도 입자의 흐릿한 "중첩"(여러 잠재적 상태에 있는 상태)을 잘 정의된 현실로 바꾸는 데 충분하다는 것을 발견했습니다. 공동 저자이자 프린스턴 대학의 이론 물리학자인 Gautam Satishchandran은 "이것은 블랙홀 지평선이 지켜보고 있다는 생각을 불러일으킵니다."라고 말했습니다.
"우리가 발견한 것은 [참여 우주]의 양자 역학적 실현일 수도 있지만, 시공간 자체가 관찰자의 역할을 하는 경우입니다"라고 역시 시카고에 있는 세 번째 저자인 데인 다니엘슨(Daine Danielson)이 말했습니다.
이론가들은 이제 이 주의 깊은 블랙홀에 무엇을 읽어야 할지 토론하고 있습니다. 애리조나 대학의 이론 천체물리학자인 샘 그랄라(Sam Gralla)는 “이것은 중력이 양자역학의 측정에 영향을 미치는 방식에 대해 우리에게 깊은 것을 알려주는 것 같습니다.”라고 말했습니다. 그러나 이것이 완전한 양자 중력 이론을 향해 나아가는 연구자에게 유용할지는 아직 누구도 추측할 수 없습니다.
이 효과는 양자 이론이 낮은 에너지에서 중력과 결합될 때 어떤 일이 발생하는지 연구하는 물리학자들이 지난 10년 동안 밝혀낸 많은 것 중 하나입니다. 예를 들어, 이론가들은 블랙홀을 천천히 증발시키는 호킹 복사에 대해 생각하면서 큰 성공을 거두었습니다. 새로운 연구에는 참여하지 않았지만 밴더빌트 대학의 이론 물리학자인 알렉스 루프사스카(Alex Lupsasca)는 “이전에 우리가 실제로 알아차리지 못했던 미묘한 효과는 우리에게 양자 중력으로 올라가는 방법에 대한 단서를 얻을 수 있는 제약을 제공합니다.”라고 말했습니다.
이러한 관찰 가능한 블랙홀은 "어쩐지 깊은 것 같은 느낌이 들기 때문에 매우 눈길을 끄는" 효과를 만들어내는 것 같다고 Lupsasca는 말했습니다.
블랙홀과 중첩
블랙홀이 어떻게 우주를 관찰할 수 있는지 이해하려면 작은 것부터 시작하세요. 양자 입자가 장벽에 있는 두 개의 슬릿을 향해 발사되는 고전적인 이중 슬릿 실험을 생각해 보십시오. 통과하는 물체는 반대편 화면에 의해 감지됩니다.
처음에는 각각의 이동 입자가 화면에 무작위로 나타나는 것처럼 보입니다. 그러나 더 많은 입자가 슬릿을 통과할수록 밝고 어두운 줄무늬 패턴이 나타납니다. 이 패턴은 각 입자가 두 슬릿을 동시에 통과하는 파동처럼 행동한다는 것을 암시합니다. 띠는 파동의 최고점과 최저점이 합쳐지거나 서로 상쇄되면서 발생합니다. 이러한 현상을 간섭이라고 합니다.
이제 입자가 두 슬릿 중 어느 슬릿을 통과하는지 측정하기 위해 검출기를 추가합니다. 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬의 패턴이 사라집니다. 관찰 행위는 입자의 상태를 변화시킵니다. 즉 입자의 파동적 성질이 완전히 사라집니다. 물리학자들은 탐지 장치를 통해 얻은 정보가 양자 가능성을 확실한 현실로 '해석'한다고 말합니다.
중요한 것은 입자가 어떤 경로를 택했는지 파악하기 위해 검출기가 슬릿에 가까이 있을 필요가 없다는 것입니다. 예를 들어, 하전 입자는 오른쪽 슬릿을 통과했는지 왼쪽 슬릿을 통과했는지에 따라 강도가 약간 다를 수 있는 장거리 전기장을 방출합니다. 멀리서 이 장을 측정하면 입자가 어느 경로를 택했는지에 대한 정보를 수집할 수 있으므로 결어어어어런스가 발생하게 됩니다.
2021년에 Wald, Satishchandran 및 Danielson은 가상의 관찰자가 이러한 방식으로 정보를 수집할 때 발생하는 역설을 탐구하고 있었습니다. 그들은 중첩된 입자를 생성하는 앨리스라는 실험자를 상상했습니다. 나중에 그녀는 간섭 패턴을 찾습니다. 입자는 앨리스가 관찰하는 동안 외부 시스템과 너무 얽히지 않은 경우에만 간섭을 나타냅니다.
그런 다음 입자의 장거리 장을 측정하여 멀리서 입자의 위치를 측정하려는 Bob이 등장합니다. 인과관계의 법칙에 따르면 Bob의 신호가 Alice에게 도달할 때까지 실험이 끝나야 하기 때문에 Bob은 Alice의 실험 결과에 영향을 미칠 수 없어야 합니다. 그러나 양자역학의 법칙에 따라 밥이 입자를 성공적으로 측정하면 입자는 밥과 얽히게 되고 앨리스는 간섭 패턴을 볼 수 없게 됩니다.
세 사람은 밥의 행동으로 인한 결맞음의 양이 앨리스가 방출하는 방사선(이 역시 입자와 얽히게 됨)에 의해 자연적으로 발생하는 결어긋남보다 항상 작다는 것을 엄격하게 계산했습니다. 따라서 Bob은 Alice의 실험을 결코 분리할 수 없었습니다. 왜냐하면 그녀는 이미 그것을 스스로 분리했을 것이기 때문입니다. 이 역설의 초기 버전은 2018년 Wald와 다른 연구팀의 계산을 통해 해결되었지만 Danielson은 한 단계 더 나아갔습니다.
그는 동료들에게 사고 실험을 했습니다. “왜 [Bob의] 탐지기를 블랙홀 뒤에 놓을 수 없나요?” 이러한 설정에서 사건의 지평선 외부에 중첩된 입자는 지평선을 가로지르는 장을 발산하고 블랙홀 내 반대편에 있는 Bob에 의해 감지됩니다. 탐지기는 입자에 대한 정보를 얻지만 사건의 지평선은 "편도 티켓"이므로 어떤 정보도 다시 교차할 수 없다고 Danielson은 말했습니다. "Bob은 블랙홀 내부에서 Alice에게 영향을 미칠 수 없습니다. 따라서 Bob 없이도 동일한 결맞음이 발생해야 합니다."라고 팀은 Quanta에 보낸 이메일에 썼습니다. . 블랙홀 자체가 중첩을 분리해야 합니다.
“참여적 우주의 보다 시적인 언어로 표현하면 마치 지평선이 중첩을 지켜보는 것과 같습니다.”라고 Danielson은 말했습니다.
이 통찰력을 사용하여 그들은 양자 중첩이 블랙홀의 시공간에 의해 어떻게 영향을 받는지에 대한 정확한 계산 작업에 착수했습니다. 지난 1월 사전 인쇄 서버 arxiv.org에 발표된 논문에서 그들은 방사선이 사건 지평선을 넘어가는 속도를 설명하고 그에 따라 결어긋남이 발생하는 원인을 설명하는 간단한 공식에 도달했습니다. Wald는 “효과가 있었다는 사실이 나에게는 매우 놀라운 일이었습니다.”라고 말했습니다.
수평선에 머리카락
사건의 지평선이 정보를 수집하고 일관성을 떨어뜨린다는 생각은 새로운 것이 아닙니다. 2016년에 스티븐 호킹(Stephen Hawking), 말콤 페리(Malcolm Perry), 앤드류 스트로밍거(Andrew Strominger)는 사건의 지평선을 가로지르는 입자가 이러한 입자에 대한 정보를 기록하는 매우 낮은 에너지 방사선을 동반할 수 있는 방법을 설명했습니다. 이러한 통찰력은 블랙홀이 방사선을 방출한다는 호킹의 초기 발견에 따른 중대한 결과인 블랙홀 정보 역설에 대한 해결책으로 제안되었습니다.
문제는 호킹 방사선이 블랙홀에서 에너지를 빼앗아 시간이 지남에 따라 블랙홀이 완전히 증발하게 만든다는 것입니다. 이 과정은 블랙홀에 떨어진 모든 정보를 파괴하는 것처럼 보입니다. 하지만 그렇게 하면 우주의 정보는 생성되거나 파괴될 수 없다는 양자역학의 기본 특징과 모순됩니다.
세 사람이 제안한 저에너지 방사선은 일부 정보가 블랙홀 주변의 후광에 분산되어 탈출하도록 함으로써 이 문제를 해결할 것입니다. 연구자들은 정보가 풍부한 후광을 '부드러운 머리카락'이라고 불렀습니다.
Wald, Satishchandran 및 Danielson은 블랙홀 정보 역설을 조사하지 않았습니다. 그러나 그들의 작업은 부드러운 머리카락을 사용합니다. 구체적으로 그들은 입자가 수평선을 넘어 떨어질 때뿐만 아니라 블랙홀 외부의 입자가 단순히 다른 위치로 이동할 때도 부드러운 머리카락이 생성된다는 것을 보여주었습니다. 외부의 모든 양자 중첩은 수평선의 부드러운 털과 얽혀 그들이 확인한 결맞음 효과를 발생시킵니다. 이런 식으로 중첩은 지평선 위에 일종의 '기억'으로 기록됩니다.
로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 이론물리학자 다니엘 카니(Daniel Carney)는 이 계산이 “부드러운 모발의 구체적인 실현”이라고 말했습니다. "멋진 논문입니다. 아이디어를 세부적으로 구현하는 데 매우 유용한 구성이 될 수 있습니다."
그러나 양자 중력 연구의 최전선에서 일하는 Carney와 다른 몇몇 이론가들에게는 이러한 결맞음 효과가 그리 놀라운 것은 아닙니다. 전자기력과 중력의 장거리 특성은 "그 어떤 것도 우주의 나머지 부분과 분리된 상태로 유지하기 어렵다"는 것을 의미한다고 매사추세츠 공과대학의 이론 물리학자인 다니엘 할로우(Daniel Harlow)는 말했습니다.
완전한 결맞음
저자들은 이러한 종류의 결맞음에는 뭔가 독특하게 "교활한" 것이 있다고 주장합니다. 일반적으로 물리학자들은 실험을 외부 환경으로부터 보호함으로써 결어어어어런스를 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 진공은 근처 가스 분자의 영향을 제거합니다. 그러나 중력을 막을 수 있는 것은 아무것도 없으므로 중력의 장거리 영향으로부터 실험을 보호할 수 있는 방법은 없습니다. “결국 모든 중첩은 완전히 분리될 것입니다.”라고 Satishchandran은 말했습니다. “피할 방법이 없습니다.”
따라서 저자들은 블랙홀 지평선이 이전에 알려진 것보다 결맞음에 더 적극적인 역할을 하는 것으로 간주합니다. 그들은 Quanta에 보낸 이메일에서 "우주 내부의 물질과는 반대로 우주 자체의 기하학이 결맞음의 원인이 됩니다"라고 썼습니다. .
Carney는 새로운 결맞음 효과가 인과관계에 의해 설정된 규칙과 결합하여 전자기장 또는 중력장의 결과로 이해될 수도 있다고 말하면서 이러한 해석에 대해 이의를 제기했습니다. 그리고 블랙홀 지평선이 시간이 지남에 따라 변하는 호킹 복사와는 달리, 이 경우 지평선에는 "어떤 역동성도 없다"고 Carney는 말했습니다. "지평선은 본질적으로 아무것도 하지 않습니다. 저는 그런 언어를 사용하지 않을 것입니다."
인과관계를 위반하지 않으려면 블랙홀 외부의 중첩은 블랙홀 내부의 가상 관찰자가 이에 대한 정보를 수집할 수 있는 최대 속도로 분리되어야 합니다. Gralla는 “중력, 측정, 양자역학에 관한 새로운 원리를 가리키는 것 같습니다.”라고 말했습니다. “중력과 양자역학이 공식화된 지 100년이 넘도록 그런 일이 일어날 것이라고는 예상하지 못합니다.”
메릴 셔먼/Quanta 매거진
흥미롭게도 이러한 종류의 결맞음은 정보가 한 방향으로만 이동하도록 허용하는 지평선이 있는 곳이면 어디에서나 발생하여 인과관계 역설의 가능성이 생성됩니다. 우주적 지평선이라고 불리는 알려진 우주의 가장자리가 또 다른 예입니다. 또는 빛의 속도에 지속적으로 가속하고 접근하여 광선이 더 이상 따라잡을 수 없는 관찰자 뒤에 형성되는 "린들러 지평선"을 생각해 보십시오. 이러한 "킬링 지평선"(19세기 후반~20세기 초반 독일 수학자 빌헬름 킬링의 이름을 따서 명명)은 모두 양자 중첩이 분리되도록 합니다. Satishchandran은 “이 지평선은 실제로 똑같은 방식으로 당신을 지켜보고 있습니다.”라고 말했습니다.
알려진 우주의 가장자리가 우주 내부의 모든 것을 감시한다는 것이 정확히 무엇을 의미하는지는 완전히 명확하지 않습니다. “우리는 우주론적 지평선을 이해하지 못합니다.”라고 Lupsasca는 말했습니다. “매우 흥미롭지만 블랙홀보다 훨씬 더 어렵습니다.”
어쨌든 중력과 양자 이론이 충돌하는 이와 같은 사고 실험을 통해 물리학자들은 통일 이론의 행동에 대해 배우기를 희망합니다. Wald는 “이것은 우리에게 양자 중력에 대한 더 많은 단서를 제공할 것입니다.”라고 말했습니다. 예를 들어, 새로운 효과는 이론가들이 얽힘이 시공간과 어떻게 관련되어 있는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Lupsasca는 “이러한 효과는 양자 중력의 마지막 이야기의 일부여야 합니다.”라고 말했습니다. "이제 그것들이 그 이론에 대한 통찰력을 얻는 과정에서 결정적인 단서가 될 것인가? 조사해 볼 가치가 있습니다."
참여적 세계
과학자들이 모든 형태의 결맞음에 대해 계속해서 학습함에 따라 Wheeler의 참여 우주에 대한 개념이 더욱 명확해지고 있다고 Danielson은 말했습니다. 우주의 모든 입자는 관찰되기 전까지는 미묘한 중첩 상태에 있는 것 같습니다. 확실성은 상호작용을 통해 나타난다. “내 생각엔 휠러가 그런 생각을 했을 것 같아요.” 다니엘슨이 말했습니다.
그리고 블랙홀과 기타 킬링 호라이즌이 "원하든 원하지 않든" 항상 모든 것을 관찰한다는 사실은 다른 유형의 결맞음보다 참여적 우주를 "더 연상시킨다"고 저자는 말했습니다.
모든 사람이 Wheeler의 철학을 대규모로 받아들일 준비가 되어 있는 것은 아닙니다. Lupsasca는 "우주가 스스로를 관찰한다는 생각은 제게는 약간 제다이처럼 들립니다."라고 Lupsasca는 말했습니다. 그럼에도 불구하고 "모든 것은 상호 작용을 통해 항상 자신을 관찰하고 있다"는 데 동의합니다.
Carney는 “시적으로는 그렇게 생각할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "개인적으로 저는 지평선이 존재한다는 것은 그 주변에 사는 들판이 정말 흥미로운 방식으로 지평선에 갇히게 된다는 것을 의미한다고 말하고 싶습니다."
Wald가 1970년대 학생이었을 때 Wheeler가 처음으로 “big U”를 그렸을 때 Wald는 그것에 대해 별로 생각하지 않았습니다. “휠러의 아이디어는 그다지 확고한 근거가 없다는 생각이 들었습니다.”라고 그는 말했습니다.
그리고 지금은? "그가 한 많은 일들은 열정과 모호한 아이디어들이었는데 나중에 실제로 성공하게 되었습니다."라고 Wald는 말하면서 Wheeler는 효과가 계산되기 훨씬 전에 호킹 방사선을 예상했다고 언급했습니다.
“그는 자신이 다른 사람들이 따라갈 수 있는 길을 밝히기 위해 등불을 들고 있다고 생각했습니다.”
