블랙홀은 결국 모든 양자 상태를 파괴할 것이라고 연구원들은 주장합니다.

1970년대 초 프린스턴 대학교에서 유명한 이론물리학자인 존 휠러는 세미나나 즉흥적인 복도 토론에서 큰 "U"자를 그리는 모습을 볼 수 있었습니다. 문자의 왼쪽 끝은 모든 것이 불확실하고 모든 양자 가능성이 동시에 발생하는 우주의 시작을 나타냅니다. 때때로 눈으로 장식된 편지의 오른쪽 끝은 시간을 거슬러 보는 관찰자를 묘사하여 U의 왼쪽을 존재하게 합니다.

Wheeler가 말했듯이 이 "참여 우주"에서 우주는 팽창하고 U 주위에서 냉각되어 구조를 형성하고 결국 인간 및 측정 장치와 같은 관찰자를 생성합니다. 초기 우주를 되돌아봄으로써 이 관찰자들은 어떻게든 우주를 현실로 만들었습니다.

"그는 '관찰된 현상이 되기 전에는 어떤 현상도 진정한 현상이 아니다'와 같은 말을 했습니다."라고 말했습니다. 로버트 M. 왈드, 당시 Wheeler의 박사 과정 학생이었던 시카고 대학의 이론 물리학 자.

이제 양자 이론이 블랙홀의 지평선에서 어떻게 작용하는지 연구함으로써 Wald와 그의 동료들은 Wheeler의 참여 우주를 암시하는 새로운 효과를 계산했습니다. 그들이 발견한 블랙홀의 단순한 존재는 입자의 흐릿한 "중첩"(여러 잠재적 상태에 있는 상태)을 잘 정의된 현실로 바꾸기에 충분합니다. 공동 저자는 "이 블랙홀 지평선이 지켜보고 있다는 생각을 불러일으킨다"고 말했다. 고탐 사티쉬찬드란, Princeton의 이론 물리학자.

"우리가 발견한 것은 [참여 우주]의 양자 역학적 실현일 수 있지만, 시공간 자체가 관찰자의 역할을 하는 곳"이라고 말했습니다. 데인 다니엘슨, 시카고의 세 번째 저자.

이론가들은 이제 이 조심스러운 블랙홀에 무엇을 읽어들일지 토론하고 있습니다. "이것은 양자 역학에서 중력이 측정에 영향을 미치는 방식에 대해 우리에게 깊은 의미를 알려주는 것 같습니다."라고 말했습니다. 샘 그랄라, 애리조나 대학교의 이론 천체물리학자. 그러나 이것이 양자 중력의 완전한 이론을 향해 나아가는 연구자들에게 유용한 것으로 입증될지는 여전히 누구도 추측할 수 없습니다.

그 효과는 양자 이론이 낮은 에너지에서 중력과 결합될 때 일어나는 일을 연구하는 물리학자들에 의해 지난 XNUMX년 동안 밝혀진 많은 것 중 하나입니다. 예를 들어, 이론가들은 다음에 대해 생각하는 데 큰 성공을 거두었습니다. 호킹 방사선, 블랙홀이 천천히 증발합니다. "우리가 이전에 실제로 알아차리지 못했던 미묘한 효과는 양자 중력을 향해 올라가는 방법에 대한 단서를 수집할 수 있는 제약을 제공합니다."라고 말했습니다. 알렉스 루프사스카, 새로운 연구에 참여하지 않은 Vanderbilt University의 이론 물리학자.

이 관찰 가능한 블랙홀은 "매우 매력적인" 효과를 생성하는 것 같다고 Lupsasca는 말했습니다.

블랙홀과 중첩

블랙홀이 우주를 관찰할 수 있는 방법을 이해하려면 작게 시작하십시오. 양자 입자가 장벽의 두 슬릿을 향해 발사되는 고전적인 이중 슬릿 실험을 고려하십시오. 통과하는 것은 반대편의 화면에서 감지됩니다.

처음에는 각 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 행동함을 시사합니다. 밴드는 서로 더해지거나 상쇄되는 파동의 최고점과 최저점에서 발생합니다. 이러한 현상을 간섭이라고 합니다.

이제 검출기를 추가하여 입자가 통과하는 두 슬릿 중 어느 것을 측정합니다. 밝고 어두운 줄무늬의 패턴이 사라집니다. 관찰 행위는 입자의 상태를 변화시킵니다. 입자의 파동적 성질은 완전히 사라집니다. 물리학자들은 검출 장치가 얻은 정보가 양자 가능성을 확실한 현실로 "결집을 풀었다"고 말합니다.

중요한 것은 입자가 이동한 경로를 파악하기 위해 검출기가 슬릿에 가까이 있을 필요가 없다는 것입니다. 예를 들어, 하전 입자는 오른쪽 슬릿을 통과했는지 왼쪽 슬릿을 통과했는지에 따라 강도가 약간 다른 장거리 전기장을 방출합니다. 멀리서 이 필드를 측정하면 입자가 이동한 경로에 대한 정보를 수집할 수 있으므로 결맞음이 발생합니다.

2021년, Wald, Satishchandran 및 Danielson 가상의 관찰자가 이런 식으로 정보를 수집할 때 발생하는 역설을 탐구하고 있었습니다.. 그들은 중첩에서 입자를 생성하는 Alice라는 실험자를 상상했습니다. 나중에 그녀는 간섭 패턴을 찾습니다. 입자는 Alice가 관찰하는 동안 외부 시스템과 너무 얽히지 않은 경우에만 간섭을 나타냅니다.

그런 다음 입자의 장거리 필드를 측정하여 멀리서 입자의 위치를 ​​측정하려고 시도하는 Bob이 등장합니다. 인과 관계의 규칙에 따르면 Bob이 Alice의 실험 결과에 영향을 미칠 수 없어야 합니다. 실험은 Bob의 신호가 Alice에 도달할 때까지 끝나야 하기 때문입니다. 그러나 양자 역학의 규칙에 따라 Bob이 입자를 성공적으로 측정하면 Bob과 얽히게 되고 Alice는 간섭 패턴을 볼 수 없습니다.

세 사람은 Bob의 행동으로 인한 결어긋남의 양이 앨리스가 방출하는(또한 입자와 얽히게 되는) 방사선으로 인해 자연적으로 발생하는 결어긋남보다 항상 적다는 것을 엄격하게 계산했습니다. 따라서 Bob은 Alice의 실험을 해독할 수 없었습니다. 왜냐하면 그녀는 이미 스스로 그것을 해독했을 것이기 때문입니다. 이 역설의 이전 버전은 2018년 해결 Wald와 다른 연구팀의 백오피스 계산을 통해 Danielson은 한 단계 더 나아갔습니다.

그는 동료들에게 사고 실험을 제시했습니다. "왜 [Bob의] 탐지기를 블랙홀 뒤에 놓을 수 없습니까?" 이러한 설정에서 이벤트 지평선 외부의 중첩에 있는 입자는 지평선을 가로지르는 필드를 발산하고 반대편 블랙홀 내에서 Bob에 의해 감지됩니다. 탐지기는 입자에 대한 정보를 얻지만 사건의 지평선은 "일방통행 티켓"이므로 어떤 정보도 다시 건너갈 수 없다고 Danielson은 말했습니다. "밥은 블랙홀 내부에서 앨리스에게 영향을 미칠 수 없으므로 밥 없이도 같은 결어긋남이 발생해야 합니다." 콴타. 블랙홀 자체는 중첩을 디코히어링해야 합니다.

"참여적 우주의 더 시적인 언어에서는 마치 지평선이 중첩을 보는 것과 같습니다."라고 Danielson은 말했습니다.

이 통찰력을 사용하여 그들은 양자 중첩이 블랙홀의 시공간에 의해 어떻게 영향을 받는지에 대한 정확한 계산 작업에 착수했습니다. ~ 안에 종이 XNUMX월에 프리프린트 서버 arxiv.org에 게시된 그들은 방사선이 사건의 지평선을 넘어 결맞음이 발생하는 비율을 설명하는 간단한 공식에 도달했습니다. Wald는 "효과가 있었다는 사실이 저에게는 매우 놀랍습니다."라고 말했습니다.

수평선 위의 머리카락

이벤트 호라이즌이 정보를 수집하고 불일치를 유발한다는 생각은 새로운 것이 아닙니다. 2016년 스티븐 호킹, 말콤 페리, 앤드류 스트로밍거 기술 된 사건의 지평선을 가로지르는 입자가 이러한 입자에 대한 정보를 기록하는 매우 낮은 에너지 방사선을 동반할 수 있는 방법. 이 통찰력은 블랙홀이 방사선을 방출한다는 호킹의 초기 발견의 심오한 결과인 블랙홀 정보 역설에 대한 해결책으로 제안되었습니다.

문제는 호킹 복사가 블랙홀에서 에너지를 흡수하여 시간이 지남에 따라 완전히 증발한다는 것입니다. 이 과정은 블랙홀에 빠진 모든 정보를 파괴하는 것처럼 보입니다. 그러나 그렇게 함으로써 그것은 양자 역학의 근본적인 특징, 즉 우주의 정보는 생성되거나 파괴될 수 없다는 것과 모순될 것입니다.

트리오가 제안한 저에너지 방사선은 일부 정보가 블랙홀 주변의 후광에 분산되어 탈출할 수 있도록 함으로써 이 문제를 해결할 것입니다. 연구원들은 정보가 풍부한 후광을 "부드러운 머리카락"이라고 불렀습니다.

Wald, Satishchandran 및 Danielson은 블랙홀 정보 역설을 조사하지 않았습니다. 그러나 그들의 작업은 부드러운 머리카락을 사용합니다. 구체적으로 그들은 부드러운 머리카락이 입자가 지평선을 가로질러 떨어질 때뿐만 아니라 블랙홀 외부의 입자가 다른 위치로 이동할 때도 생성된다는 것을 보여주었습니다. 외부의 모든 양자 중첩은 수평선의 부드러운 머리카락과 얽히게 되어 그들이 식별한 결어긋남 효과를 발생시킵니다. 이런 식으로 중첩은 수평선에 일종의 "기억"으로 기록됩니다.

계산은 "부드러운 머리카락의 구체적인 구현"이라고 말했습니다. 다니엘 카니, 로렌스 버클리 국립 연구소의 이론 물리학자. “멋진 종이다. 그 아이디어를 구체적으로 구현하는 데 매우 유용한 구성이 될 수 있습니다.”

그러나 양자 중력 연구의 최전선에서 일하는 Carney와 몇몇 다른 이론가들에게 이러한 결어긋남 효과는 그리 놀라운 일이 아닙니다. 전자기력과 중력의 장거리 특성은 "어떤 것도 우주의 나머지 부분과 격리된 상태로 유지하는 것이 어렵다"는 것을 의미한다고 말했습니다. 다니엘 할로우, 매사추세츠 공과 대학의 이론 물리학자.

총 디코히어런스

저자 논쟁 이러한 종류의 불일치에는 독특하게 "교활한" 무언가가 있습니다. 일반적으로 물리학자는 실험을 외부 환경으로부터 보호하여 결맞음 현상을 제어할 수 있습니다. 예를 들어 진공은 주변 가스 분자의 영향을 제거합니다. 그러나 중력을 막을 수 있는 것은 아무것도 없으므로 중력의 장기적인 영향으로부터 실험을 격리할 방법이 없습니다. "결국 모든 중첩은 완전히 결맞추지 않을 것입니다."라고 Satishchandran은 말했습니다. "돌아갈 방법이 없습니다."

따라서 저자는 블랙홀 지평선이 이전에 알려진 것보다 결맞음에서 더 적극적인 역할을 하는 것으로 간주합니다. "그 안에 있는 물질과는 반대로 우주 자체의 기하학이 결맞음의 원인입니다."라고 그들은 이메일에 썼습니다. 콴타.

Carney는 새로운 결어긋남 효과가 인과 관계에 의해 설정된 규칙과 함께 전자기장 또는 중력장의 결과로 이해될 수도 있다고 말하면서 이 해석에 이의를 제기합니다. 그리고 블랙홀의 지평선이 시간이 지남에 따라 변하는 호킹 복사와 달리 이 경우에는 지평선에 "역학이 전혀 없다"고 Carney는 말했습니다. “수평선은 그 자체로 아무 것도 하지 않습니다. 나는 그 언어를 사용하지 않을 것입니다.”

인과 관계를 위반하지 않으려면 블랙홀 외부의 중첩은 블랙홀 내부의 가상 관찰자가 이에 대한 정보를 수집할 수 있는 최대 가능한 속도로 결맞춰지지 않아야 합니다. Gralla는 "중력, 측정 및 양자 역학에 대한 새로운 원리를 가리키는 것 같습니다."라고 말했습니다. "중력과 양자역학이 공식화된 지 100년이 넘도록 그런 일이 일어나리라고는 기대하지 않습니다."

흥미롭게도 이러한 종류의 결맞음은 정보가 한 방향으로만 이동하도록 허용하는 지평이 있는 모든 곳에서 발생하여 인과 관계 역설의 가능성을 만듭니다. 우주론적 지평선이라고 불리는 알려진 우주의 가장자리는 또 다른 예입니다. 또는 지속적으로 가속하여 빛의 속도에 접근하는 관찰자 뒤에 형성되어 광선이 더 이상 그들을 따라잡을 수 없도록 하는 "린들러 지평선"을 생각해 보십시오. 이 모든 "킬링 호라이즌"(19세기 말~20세기 초 독일 수학자 이름을 따서 명명됨) 빌헬름 킬링) 양자 중첩이 디코히어링되게 합니다. "이 지평은 정확히 같은 방식으로 당신을 지켜보고 있습니다."라고 Satishchandran은 말했습니다.

알려진 우주의 가장자리가 우주 내부의 모든 것을 감시한다는 것이 정확히 무엇을 의미하는지는 완전히 명확하지 않습니다. "우리는 우주론적 지평을 이해하지 못합니다."라고 Lupsasca는 말했습니다. "매우 매력적이지만 블랙홀보다 훨씬 어렵습니다."

어쨌든 중력과 양자 이론이 충돌하는 이와 같은 사고 실험을 통해 물리학자들은 통합 이론의 행동에 대해 배우기를 희망합니다. "이것은 우리에게 양자 중력에 대한 더 많은 단서를 제공할 것입니다."라고 Wald는 말했습니다. 예를 들어, 새로운 효과는 이론가들이 얽힘이 시공간과 어떻게 관련되어 있는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이러한 효과는 양자 중력의 마지막 이야기의 일부가 되어야 합니다."라고 Lupsasca는 말했습니다. “이제 그것들은 그 이론에 대한 통찰을 얻는 과정에서 결정적인 단서가 될까요? 조사할 가치가 있다.”

참여적 우주

과학자들이 모든 형태의 결어긋남에 대해 계속해서 배우면서 Wheeler의 참여적 우주 개념이 더욱 명확해지고 있다고 Danielson은 말했습니다. 우주의 모든 입자는 관찰되기 전까지 미묘한 중첩 상태에 있는 것 같습니다. 명확성은 상호 작용을 통해 나타납니다. "제 생각에는 Wheeler가 염두에 두었던 것 같습니다."라고 Danielson이 말했습니다.

그리고 블랙홀과 다른 킬링 호라이즌이 "당신이 좋든 싫든" 모든 것을 항상 관찰한다는 발견은 다른 유형의 비간섭성보다 참여적 우주를 "더 연상시킨다"고 저자는 말했습니다.

모든 사람이 Wheeler의 철학을 대규모로 구매할 준비가 된 것은 아닙니다. “우주가 스스로를 관찰한다는 생각? 그것은 나에게 약간의 제다이처럼 들립니다.” 그럼에도 불구하고 “모든 것은 상호 작용을 통해 항상 자신을 관찰하고 있다”는 데 동의하는 Lupsasca가 말했습니다.

Carney는 "시적으로 그렇게 생각할 수 있습니다."라고 말했습니다. "개인적으로 수평선이 있다는 것은 그 주변에 사는 들판이 정말 흥미로운 방식으로 지평선에 달라붙게 될 것이라는 의미라고 말하고 싶습니다."

1970년대에 Wald가 학생이었을 때 Wheeler가 처음으로 "big U"를 그렸을 때 Wald는 크게 생각하지 않았습니다. "Wheeler의 아이디어는 그다지 확고한 근거가 없는 것 같았습니다."라고 그는 말했습니다.

그리고 지금? Wald는 Wheeler가 그 효과가 계산되기 오래 전에 호킹 방사선을 예상했다고 언급하면서 "그가 한 많은 일들은 열정과 막연한 아이디어였습니다.

"그는 다른 사람들이 따라갈 수 있는 길을 밝히기 위해 등불을 들고 있는 자신을 보았습니다."