물리학자들은 제한된 기포 시스템에서 '보편성'의 예를 발견했습니다. 이 연구는 연구자들이 특이점의 이상한 행동을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
소개
수도꼭지에서 한 방울이 떨어질 때마다 자연은 마술을 선보입니다. 하나의 얼룩을 두 개로 나누면 특이점, 즉 물리적 양이 무한과 시시덕거리는 단일 지점을 통과해야 합니다. 두 개의 덩어리를 연결하는 목이 얇아져 아무것도 없게 되면서 유체의 압력과 속도는 마치 0으로 나뉘는 것처럼 무한대를 향해 질주합니다. 여기에서 유체를 설명하는 데 사용되는 방정식은 수학적 폭발을 겪습니다. 갑작스러운 중단 이후에만 주문이 반품됩니다.
몇 년 전, 이 현상을 연구하는 물리학자들은 이 지저분하고 폭력적인 과정이 숨겨진 규칙성을 가져온다는 사실을 깨달았습니다. 즉, 세상의 모든 방울은 몇 가지 특징적인 목 모양 중 하나를 가지고 있다는 것입니다. 중력, 수전 디자인, 통풍이 잘되는 주방과 같은 요인으로 인해 물이 뚝뚝 떨어지기 시작했을 수도 있지만 결국 중요한 것은 표면 장력의 압박과 목의 관성 저항 사이의 직접적인 투쟁입니다. 시카고 대학의 물리학자인 시드니 네이글(Sidney Nagel)은 “분열 지점은 미시간 호숫가에서 공중으로 던져진 파도로 형성되었다 하더라도 동일해 보였을 것”이라고 썼습니다.
물방울은 "보편성"의 대표적인 예가 되었습니다. 이는 서로 다른 재료와 실질적으로 다른 조건에서도 정확히 동일한 방식으로 계속해서 발생하는 이벤트를 설명합니다. 보편성의 예측 가능성은 표면 균열과 같이 일차 수학적 모델이 항상 철저하게 분석할 수 없는 지저분하고 변화하는 시스템의 대규모 동작을 설명하는 데 사용될 수 있습니다. 보편성은 연구자들이 핵심적인 분자 또는 원자 세부사항에 대해 걱정하지 않고 이러한 사건을 설명할 수 있게 해줍니다. "보편성은 복잡한 시스템을 단순화하는 데 도움이 되는 보편적인 아이디어입니다."라고 에모리 대학교의 소프트 물질 물리학자인 저스틴 버튼(Justin Burton)은 말했습니다.
최근 연구에서는 좁은 튜브에 갇힌 기포라는 새로운 시스템의 보편성을 확인했습니다. 역사적으로 거품은 물리학자들에게 보편성의 한계를 가르쳐준 시스템이었기 때문에 이 연구는 다소 놀라운 일이었습니다. 이제 연구자들은 이러한 보편성을 켜고 끌 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.
궁극적으로 희망은 거품과 같은 상대적으로 간단한 시스템에서 특이점과 보편성을 연구하면 카메라 친화적이지 않은 우주 구석구석에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있다는 것입니다. 최근 연구의 공동저자이자 프린스턴 대학의 기계 엔지니어인 Amir Pahlavan은 "물방울과 거품, 우리는 매일 그것을 봅니다."라고 말했습니다. “블랙홀의 경우 연구하고 관찰하기가 훨씬 더 어렵습니다.”
보편성의 종말
물리학자 레오 카다노프(Leo Kadanoff)가 이끄는 보편성의 초기 개척자들은 눈사태처럼 쌓인 모래더미와 자화 금속처럼 서로 다른 시스템이 모두 다양한 규모로 작동한다는 사실을 발견했습니다. 전환점에서는 작은 눈사태와 함께 큰 눈사태가 발생할 수 있습니다. 큰 것이 큰 것과만 섞이고 작은 것이 작은 것과만 섞이는 경향이 사라지고 한 수준의 효과가 다음 수준으로 원활하게 흘러갑니다.
부분적으로 카다노프의 연구에 힘입어 1990년대 초 물리학자들은 물방울 형성이 보편적인 현상이라는 것을 이론적으로 그리고 실험적으로 입증했습니다.
수년 동안 연구자들은 나비에-스토크스 방정식으로 알려진 부드러운 유체에 대한 설명이 압력과 속도가 폭발할 때 실패하기 때문에 분자 이론만이 분열을 완전히 설명할 수 있다고 가정해 왔습니다. 그러나 핀치오프 전후의 균일한 모양을 보장하는 보편성을 통해 현재 브리스톨 대학교의 물리학자이자 수학자인 Jens Eggers는 분자 자체를 무시하고 특이점을 넘어 유체 수학을 확장하는 방법을 찾았습니다.
이러한 개발은 다양한 수의 액체와 다양한 농도의 유체를 사용하는 설정을 사용하는 수많은 연구를 시작했습니다. 이러한 장치를 조정하면 물리학자들은 설명할 수 없는 유체 역학의 측면을 연구하고 각각 고유한 특성 번호로 정의되는 다양한 "보편성 클래스"에 액세스하여 보편성의 한계를 탐색할 수 있습니다.
시카고의 Nagel과 그의 동료들이 낙하 실험을 뒤집었을 때 한 가지 큰 놀라움이 있었습니다. 그들은 공기 중에서 떨어지는 물방울을 유체 속에서 상승하는 기포로 바꿨습니다.
얇아지는 방울에서 얻은 통찰력을 바탕으로 프로젝트를 이끄는 대학원생은 모든 각도에서 분열하는 거품의 사진을 찍고 모든 이벤트가 동일하게 진행되는 보편적인 방식을 찾으려고 했습니다. 그러나 각 핀치오프는 주변 물이나 중앙 기류의 초기 잔물결이 특이점까지 살아남아 목의 플라톤 대칭을 파괴하는 등 서로 다르게 보였습니다.
결국 팀은 버블 해체가 보편적이지 않다는 결론을 내려야 했습니다. 물방울과 달리 최종 거품은 그것이 탄생했던 조건에 대한 “기억”을 유지하는 모양을 취합니다. 보편성을 확장하려는 추진력은 공기 주머니에 의해 중단되었습니다. "당신이 들은 것에 현혹되지 않고 어떤 실험이 당신에게 말하는지 믿는다면 자연은 다른 계획을 염두에 두고 있다는 것을 알게 될 것입니다."라고 Nagel은 말했습니다.
새로운 연구는 보편성을 다시 거품으로 되돌릴 수 있는 방법을 밝혀냈습니다. 이 작업은 당시 매사추세츠 공과대학의 Ruben Juanes 연구실 구성원이었던 Pahlavan이 폭이 1mm 미만인 튜브를 통해 공기를 밀어내는 프로젝트를 진행하면서 시작되었습니다. 그는 거품을 설명하는 방정식이 목이 핀치오프 지점에 접근함에 따라 두 가지 단계를 거쳐야 함을 발견했습니다. 한 단계는 시카고 팀의 초기 작업에서 볼 수 있는 프로필과 동일하고, 다른 단계는 완전히 새로운 것입니다.
Pahlavan은 이별을 극단적인 슬로우 모션으로 보았을 때 이별 1초 전 버블 넥의 모양이 자기 유사하다는 것을 발견했습니다. 곡선의 한 부분을 확대한 후 그는 새로운 곡선이 더 큰 규모에서와 동일하게 보이도록 늘어날 수 있음을 발견했습니다. (프랙탈과 같은 자기 유사성은 시스템에 특별한 규모가 없다는 개념과 관련이 있기 때문에 보편적 시스템의 일반적인 특징입니다.) 그러나 분해되기 1000분의 1초 전에 원래 곡선에 대한 근접 보기를 매핑하는 데 필요한 스트레칭 유형이 변경되었습니다. 이는 목이 다른 자기 유사성 체제로 전환되었음을 나타냅니다.
폭이 1밀리미터보다 작은 튜브 안의 기포는 파손으로 이어진 세부 사항에 대한 '기억'을 전혀 유지하지 못하는 것으로 보입니다.
아미르 팔라반
새로운 첫 번째 단계는 보편적으로 작동하여 노즐 크기와 같은 세부 사항에 대한 시스템의 "기억"을 지웠습니다. 두 번째 단계는 시카고 팀의 결과와 일치했지만 보편적이지 않았습니다. 그러나 두 번째 단계가 도착했을 때 기억할 세부 사항이 더 이상 남아 있지 않았기 때문에 전체 시스템이 보편적으로 작동했습니다.
Pahlavan은 튜브 크기와 액체 농도를 다양하게 변경하면서 거품 실험을 12가지 방식으로 조정했지만 각각의 모든 분리는 동일한 방식으로 진행되었습니다.
새로운 연구는 시스템이 보편성을 켜고 끌 수 있다는 것과 시스템을 컨테이너에 집어넣는 것이 그렇게 하는 한 가지 방법임을 입증했습니다. "이 논문이 훌륭하게 보여주는 것은 어느 정도 제한을 적용하여 [보편성]을 복원할 수 있는 방법입니다."라고 Burton은 말했습니다.
Pahlavan은 "특이점 형성은 보편성 클래스를 찾고 [초기 세부 사항에] 둔감한 것에 대해 이야기하기 때문에 흥미롭습니다. 따라서 연구 중인 문제보다 더 일반적이어야 합니다."라고 말했습니다.
예를 들어 블랙홀을 더 잘 이해하는 데 사용될 수 있다는 의미입니다.
우주 특이점
아무리 노력해도 우리 우주의 블랙홀은 결코 쪼개지지 않을 것입니다. 그러나 더 높은 차원에서 놀고 있는 이론가들은 5차원 이상에 있는 물체의 이론적 사촌(추가 차원에서 원통형 모양으로 인해 "검은 끈"이라고 불림)이 더 위태로운 삶을 살 수 있다는 것을 발견했습니다.
이 수수께끼의 물체가 붕괴되어 둘로 갈라질 수 있을까요? 5차원의 일반 상대성 이론은 정확하게 풀기에는 너무 어렵지만, 2010년 물리학자 루이스 레너(Luis Lehner)와 프란츠 프레토리우스(Franz Pretorius)는 컴퓨터 모델을 사용하여 검은 끈의 운명을 계산했습니다.
시뮬레이션을 통해 놀랍도록 친숙한 느낌의 비디오가 나왔다고 Pretorius는 말했습니다. 그것은 액체 흐름이 방울로 부서지는 것처럼 보였습니다. 큰 구슬이 형성되고 더 얇은 흐름이 남고, 그 흐름은 더 얇은 흐름으로 연결된 더 작은 방울로 부풀어오르는 등의 방식이었습니다. 유체 거동은 끈이 결국 구형 블랙홀 물방울에 부딪혀야 함을 시사합니다. 그러나 양자 중력에 대한 미립자 이론이 없으면 시뮬레이션이 핀치오프 지점에 접근할 때 충돌이 발생합니다.
검은 끈 분리는 보편적인 과정으로 입증되지 않았습니다(Pretorius는 시뮬레이션을 통해 그래야 한다고 암시했지만). 만약 그렇다면 물리학자들이 물방울 형성의 분자적 세부 사항을 회피한 것처럼 이론가들도 중력의 양자 세부 사항을 무시할 수 있을 것이라고 추측합니다. “고전적 일반 상대성 이론만으로도 이별 전후에 어떤 일이 일어나는지 알아낼 수 있을 것입니다.”라고 그는 말했습니다.
목의 진화가 분열점에 가까워짐에 따라 이론적인 물체는 양자 중력 자체에 관해 흥미로운 말을 할 수도 있다고 프레토리우스는 제안합니다.
이론적인 검은 끈 너머로, 우주는 단 하나의 분열을 경험하는 존재들로 넘쳐납니다. 회전하는 가스 구름이 점차적으로 반으로 나누어질 때 쌍성별이 형성될 수 있으며, 핵분열 중 원자가 분열되는 것도 액체로 취급될 수 있습니다. 다양한 힘이 이러한 사건을 주도하므로 수학적 설명이 다양하며 시카고 팀이 배운 것처럼 모든 특이점이 반드시 보편적인 것은 아닙니다. 그러나 물리학자들은 낙하와 기포를 연구함으로써 다른 종류의 특이점을 해결하는 데 도움이 될 수 있는 일반적인 문제 해결 전략 툴킷을 구축했습니다.
실험실에서 관찰할 수 있는 특이점으로부터 추가적인 통찰력을 계속해서 추출하면 이러한 기술이 확장될 것입니다. Burton은 "빅뱅(역대 최초의 특이점)부터 거품의 붕괴까지 이러한 일이 계속해서 어디에서나 나타나고 있습니다."라고 말했습니다. “그들의 기본 물리학을 정말로 이해하려고 노력하는 것은 중요한 도전입니다.”
