개요
우주론자들은 우리 우주가 왜 그렇게 놀라울 정도로 바닐라인지 이해하기 위해 수십 년을 보냈습니다. 그것은 우리가 볼 수 있는 한 매끄럽고 평평할 뿐만 아니라, 순진한 계산에 따르면 빅뱅에서 나오는 우주는 중력에 의해 구겨지고 역겨운 암흑 에너지에 의해 폭발합니다.
우주의 평탄함을 설명하기 위해 물리학자들은 우주의 역사에 극적인 첫 장을 추가했습니다. 그들은 우주가 빅뱅이 시작될 때 풍선처럼 빠르게 팽창하여 모든 곡률을 제거했다고 제안합니다. 그리고 인플레이션의 초기 주문 이후 우주의 완만 한 성장을 설명하기 위해 일부 사람들은 우리 우주가 거대한 다중 우주에서 덜 호의적인 우주 중 하나일 뿐이라고 주장했습니다.
그러나 이제 두 명의 물리학자가 바닐라 우주에 대한 기존의 생각을 뒤집었습니다. 1977년 스티븐 호킹과 게리 기븐스에 의해 시작된 일련의 연구에 따라, 듀오는 우주의 평이함은 드문 것이 아니라 예상된다는 새로운 계산을 발표했습니다. 우리의 우주는 있는 그대로입니다. 닐 투록 에든버러 대학교의 래섬 보일 공기가 방 전체에 고르게 퍼지는 것과 같은 이유로 캐나다 워털루에 있는 Perimeter Institute for Theoretical Physics의: 더 이상한 옵션을 생각할 수 있지만 가능성이 매우 낮습니다.
우주는 "매우 미세하게 조정되어 있고 극히 가능성이 없어 보일 수 있지만 [그들은] '잠깐만요, 우주가 가장 좋아하는 것입니다.'라고 말합니다."라고 말했습니다. 토마스 헤르토그, 벨기에 루벤 가톨릭 대학교의 우주론자.
"대부분의 사람들이 해왔던 것과는 다른 방법을 사용하는 참신한 기여입니다."라고 말했습니다. 스테펜 길렌, 영국 셰필드 대학의 우주론자.
도발적인 결론은 허수로 똑딱거리는 시계로 전환하는 것과 관련된 수학적 속임수에 달려 있습니다. 70년대에 호킹이 했던 것처럼 상상의 시계를 사용하여 Turok과 Boyle은 우리 우주에 해당하는 것으로 보이는 엔트로피로 알려진 양을 계산할 수 있었습니다. 그러나 상상의 시간 트릭은 엔트로피를 계산하는 우회적인 방법이며 더 엄격한 방법이 없으면 양의 의미는 뜨거운 논쟁으로 남아 있습니다. 물리학자들은 엔트로피 계산의 정확한 해석에 대해 의구심을 품고 있지만, 많은 사람들은 엔트로피 계산을 공간과 시간의 근본적인 양자적 특성으로 가는 길의 새로운 이정표로 보고 있습니다.
Gielen은 "어쨌든 그것은 우리에게 시공간의 미세 구조를 볼 수 있는 창을 제공하고 있습니다."라고 말했습니다.
상상의 길
빈번한 공동 작업자인 Turok과 Boyle은 우주론에 대한 독창적이고 비정통적인 아이디어를 고안한 것으로 유명합니다. 작년에 우리 우주가 얼마나 가능성이 있는지 연구하기 위해 그들은 물리학자 Richard Feynman이 1940년대에 개발한 기술을 사용했습니다.
입자의 확률적 행동을 포착하기 위해 Feynman은 입자가 시작과 끝을 연결하는 가능한 모든 경로(직선, 곡선, 루프, 광고 무한대)를 탐색한다고 상상했습니다. 그는 각 경로에 가능성과 관련된 숫자를 부여하고 모든 숫자를 더하는 방법을 고안했습니다. 이 "경로 적분" 기술은 양자 시스템이 어떻게 작동할지 예측하기 위한 강력한 프레임워크가 되었습니다.
Feynman이 경로 적분을 공개하기 시작하자마자 물리학자들은 온도와 에너지의 유서 깊은 과학인 열역학과 흥미로운 연관성을 발견했습니다. Turok과 Boyle의 계산을 가능하게 한 것은 양자 이론과 열역학 사이의 다리였습니다.
개요
열역학은 방 안에서 덜거덕거리는 수많은 공기 분자와 같이 많은 부분으로 구성된 시스템을 설명하기 위해 몇 개의 숫자만 사용할 수 있도록 통계의 힘을 활용합니다. 예를 들어, 본질적으로 공기 분자의 평균 속도인 온도는 방의 에너지에 대한 대략적인 감각을 제공합니다. 온도 및 압력과 같은 전반적인 속성은 방의 "매크로스테이트"를 나타냅니다.
그러나 거시 국가는 조잡한 계정입니다. 공기 분자는 모두 동일한 거대 상태에 해당하는 엄청난 수의 방식으로 배열될 수 있습니다. 하나의 산소 원자를 왼쪽으로 조금 움직이면 온도가 움직이지 않습니다. 각각의 고유한 미시적 구성은 미시 상태로 알려져 있으며 주어진 거시 상태에 해당하는 미시 상태의 수가 엔트로피를 결정합니다.
엔트로피는 물리학자들에게 서로 다른 결과의 확률을 비교할 수 있는 예리한 방법을 제공합니다. 거시 상태의 엔트로피가 높을수록 그럴 가능성이 더 큽니다. 예를 들어 공기 분자가 구석에 모여 있는 경우보다 방 전체에 걸쳐 공기 분자가 배열되는 훨씬 더 많은 방법이 있습니다. 결과적으로 공기 분자가 퍼져나갈(그리고 퍼져있는 상태로) 예상됩니다. 가능한 결과가 가능하다는 자명한 진리는 물리학의 언어로 표현되어 열역학의 유명한 두 번째 법칙이 됩니다. 즉, 시스템의 총 엔트로피는 증가하는 경향이 있다는 것입니다.
경로 적분과의 유사성은 분명했습니다. 열역학에서는 시스템의 가능한 모든 구성을 더합니다. 그리고 경로 적분으로 시스템이 취할 수 있는 모든 가능한 경로를 더합니다. 다소 눈에 띄는 차이점이 하나 있습니다. 열역학은 확률을 다룹니다. 확률은 간단하게 더해지는 양수입니다. 그러나 경로 적분에서 각 경로에 할당된 숫자는 복소수이므로 허수가 포함됩니다. i, -1의 제곱근. 복소수가 함께 추가되면 커지거나 줄어들 수 있으므로 결합하거나 상쇄될 수 있는 양자 입자의 파동 특성을 캡처할 수 있습니다.
그러나 물리학자들은 간단한 변형으로 한 영역에서 다른 영역으로 이동할 수 있음을 발견했습니다. 시간을 상상으로 만드십시오(이탈리아 물리학자 Gian Carlo Wick 이후 Wick 회전으로 알려진 움직임). i 첫 번째 것을 제거하는 경로 적분을 입력하여 허수를 실제 확률로 바꿉니다. 시간 변수를 온도의 역수로 바꾸면 잘 알려진 열역학 방정식을 얻을 수 있습니다.
이 Wick 트릭은 1977년 호킹과 기번스에 의해 공간과 시간에 대한 일련의 이론적 발견의 끝에서 블록버스터급 발견으로 이어졌습니다.
시공간의 엔트로피
수십 년 전, 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 공간과 시간이 함께 통일된 실재 구조인 시공간을 형성하며 중력은 실제로 물체가 시공간의 주름을 따라가는 경향이라는 것을 밝혔습니다. 극단적인 상황에서 시공간은 블랙홀로 알려진 피할 수 없는 알카트라즈를 생성할 정도로 가파르게 휘어질 수 있습니다.
1973년 제이콥 베켄슈타인 이단을 발전시켰다 블랙홀은 불완전한 우주 감옥입니다. 그는 우주에서 엔트로피를 삭제하고 열역학 제XNUMX법칙을 위반하는 것이 아니라 심연이 식사의 엔트로피를 흡수해야 한다고 추론했습니다. 그러나 블랙홀에 엔트로피가 있다면 온도도 있어야 하고 열을 방출해야 합니다.
회의적인 스티븐 호킹은 블랙홀의 휘어진 시공간에서 양자 입자가 어떻게 행동하는지에 대한 복잡한 계산에 착수하여 베켄슈타인이 틀렸다는 것을 증명하려고 했습니다. 놀랍게도 그는 1974년 발견 블랙홀이 실제로 방출한다는 것입니다. 또 다른 계산 베켄슈타인의 추측을 확인했습니다. 블랙홀은 사건의 지평선 영역의 XNUMX/XNUMX에 해당하는 엔트로피를 가집니다.
개요
그 후 몇 년 동안 영국의 물리학자 Gibbons와 Malcolm Perry, 그리고 나중에 Gibbons와 Hawking은 도착 에 같은 결과 에 다른 방향. 그들은 원칙적으로 블랙홀을 만들기 위해 시공간이 휘어질 수 있는 모든 다른 방법을 더하는 경로 적분을 설정했습니다. 다음으로 그들은 블랙홀을 심회전시켜 시간의 흐름을 허수로 표시하고 그 모양을 면밀히 조사했습니다. 그들은 가상의 시간 방향에서 블랙홀이 주기적으로 초기 상태로 돌아간다는 것을 발견했습니다. 이 성촉의 날과 같은 상상의 시간 반복은 블랙홀에 온도와 엔트로피를 계산할 수 있는 일종의 정지 상태를 제공했습니다.
응답이 이전에 Bekenstein과 Hawking이 계산한 것과 정확히 일치하지 않았다면 그들은 결과를 신뢰하지 않았을 수 있습니다. XNUMX년이 끝날 무렵, 그들의 공동 작업은 놀라운 개념을 낳았습니다. 블랙홀의 엔트로피는 공기가 분자로 구성되는 것처럼 시공간 자체가 작고 재배열 가능한 조각으로 구성되어 있음을 암시했습니다. 그리고 기적적으로 이 "중력 원자"가 무엇인지 알지 못하더라도 물리학자들은 가상의 시간에 있는 블랙홀을 보면서 원자의 배열을 계산할 수 있었습니다.
"그것은 호킹에게 깊고 깊은 인상을 남긴 결과입니다."라고 호킹의 전 대학원생이자 오랜 협력자인 Hertog는 말했습니다. Hawking은 즉시 Wick 회전이 블랙홀 이상에서 작동하는지 궁금해했습니다. Hertog는 "만약 그 기하학이 블랙홀의 양자 속성을 포착한다면 전체 우주의 우주론적 속성에 대해 동일한 작업을 수행하는 것은 불가항력적일 것"이라고 말했습니다.
가능한 모든 우주 계산하기
즉시 Hawking과 Gibbons Wick은 상상할 수 있는 가장 단순한 우주 중 하나를 회전시켰습니다. "de Sitter" 시공간이라고 불리는 이 비어 있고 팽창하는 우주에는 지평선이 있으며, 그 너머에는 공간이 너무 빨리 팽창하여 거기에서 오는 신호가 공간 중앙에 있는 관찰자에게 도달하지 못합니다. 1977년에 Gibbons와 Hawking은 블랙홀처럼 de Sitter 우주도 지평선 면적의 XNUMX/XNUMX에 해당하는 엔트로피를 가지고 있다고 계산했습니다. 다시 말하지만, 시공간에는 셀 수 있는 수의 미시 상태가 있는 것 같습니다.
그러나 실제 우주의 엔트로피는 열린 질문으로 남아 있었습니다. 우리의 우주는 비어 있지 않습니다. 그것은 빛을 발산하고 은하계와 암흑 물질의 흐름으로 가득 차 있습니다. 빛은 우주의 젊음 동안 공간의 활발한 확장을 이끌었고, 그 다음 우주적 젊음 동안 물질의 중력적 매력은 사물을 기어다니도록 느리게 했습니다. 이제 암흑 에너지가 나타나 폭주 확장을 주도하고 있습니다. Hertog는 “확장 역사는 험난했습니다. "명백한 솔루션을 얻는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다."
지난 XNUMX년여 동안 Boyle과 Turok은 그러한 명확한 솔루션을 구축했습니다. 첫째, XNUMX월에 장난감 우주론을 가지고 놀면서 그들은 알아 차 렸던 de Sitter 시공간에 방사선을 추가해도 우주를 Wick-rotate하는 데 필요한 단순성을 손상시키지 않았습니다.
그런 다음 여름 동안 그들은 이 기술이 물질의 지저분한 포함에도 견딜 수 있음을 발견했습니다. 보다 복잡한 팽창 이력을 설명하는 수학적 곡선은 여전히 다루기 쉬운 특정 그룹에 속하며 열역학의 세계는 계속 접근할 수 있습니다. "이 Wick 회전은 매우 대칭적인 시공간에서 멀어지면 모호한 사업입니다."라고 말했습니다. 길헤르메 레이테 피멘텔, 이탈리아 피사에 있는 Scuola Normale Superiore의 우주론자. "하지만 그들은 그것을 찾았습니다."
보다 현실적인 우주 클래스의 롤러코스터 확장 역사를 Wick-rotating하여 우주 엔트로피에 대한 보다 다양한 방정식을 얻었습니다. 복사, 물질, 곡률 및 암흑 에너지 밀도로 정의되는 광범위한 우주 거시 상태(온도 및 압력 범위가 실내의 다양한 가능한 환경을 정의함)에 대해 공식은 해당하는 미시 상태의 수를 나타냅니다. 투록과 보일이 게시했습니다. 그들의 결과 XNUMX월 초 온라인.
개요
전문가들은 명시적이고 정량적인 결과를 칭찬했습니다. 그러나 그들의 엔트로피 방정식에서 Boyle과 Turok은 우리 우주의 본질에 대해 인습에 얽매이지 않는 결론을 도출했습니다. Hertog는 "그것이 조금 더 흥미롭고 조금 더 논란이 되는 부분입니다."라고 말했습니다.
Boyle과 Turok은 방정식이 상상할 수 있는 모든 우주 역사의 인구 조사를 수행한다고 믿습니다. 방의 엔트로피가 주어진 온도에서 공기 분자를 배열하는 모든 방법을 세는 것처럼, 그들은 엔트로피가 시공간의 원자를 뒤섞어도 주어진 전체 역사를 가진 우주로 끝날 수 있는 모든 방법을 세는 것으로 의심합니다. 곡률 및 암흑 에너지 밀도.
보일은 그 과정을 각각 다른 우주인 거대한 구슬 자루를 조사하는 것에 비유합니다. 음의 곡률을 가진 것은 녹색일 수 있습니다. 수많은 암흑 에너지를 가진 사람들은 고양이 눈일 수 있습니다. 그들의 인구 조사에 따르면 압도적으로 많은 구슬이 한 가지 유형의 우주에 해당하는 파란색과 같은 단 하나의 색상을 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 더 이상한 유형의 코스모스는 거의 없습니다. 다시 말해, 우주 인플레이션과 다중 우주에 대한 수십 년의 이론화에 동기를 부여한 우리 우주의 이상하게도 평범한 특징은 전혀 이상하지 않을 수 있습니다.
Hertog는 “매우 흥미로운 결과입니다. 그러나 "그것은 대답하는 것보다 더 많은 질문을 제기합니다."
혼란을 계산
Boyle과 Turok은 우주를 세는 방정식을 계산했습니다. 그리고 그들은 우리와 같은 우주가 상상할 수 있는 우주 옵션의 대부분을 차지하는 것처럼 보인다는 놀라운 관찰을 했습니다. 그러나 그것이 확실성이 끝나는 곳입니다.
듀오는 중력과 우주론의 양자 이론이 특정 우주를 일반적이거나 희귀하게 만드는 이유를 설명하려고 시도하지 않습니다. 또한 미시적인 부분들로 이루어진 특별한 구성을 가진 우리 우주가 어떻게 생겨났는지도 설명하지 않습니다. 궁극적으로 그들은 그들의 계산을 완전한 우주론 이론에 가까운 어떤 종류의 우주가 선호되는지에 대한 단서에 더 가깝다고 봅니다. Turok은 "우리가 사용한 것은 이론이 무엇인지도 모른 채 답을 얻기 위한 값싼 속임수입니다."라고 말했습니다.
그들의 작업은 또한 Gibbons와 Hawking이 시공간 엔트로피의 전체 사업을 처음 시작한 이후로 답이 없는 질문에 다시 활력을 불어넣습니다.
"여기서 중요한 것은 우리가 그 엔트로피가 무엇을 의미하는지 모른다는 것입니다."라고 말했습니다. 헨리 맥스 필드, 중력의 양자 이론을 연구하는 스탠포드 대학의 물리학자.
그 중심에는 엔트로피가 무지를 캡슐화합니다. 예를 들어, 분자로 구성된 기체의 경우 물리학자들은 입자의 평균 속도인 온도를 알지만 모든 입자가 무엇을 하는지는 모릅니다. 가스의 엔트로피는 옵션의 수를 반영합니다.
수십 년간의 이론적 연구 끝에 물리학자들은 블랙홀에 대한 유사한 그림에 수렴하고 있습니다. 이제 많은 이론가들은 블랙홀의 외부 모습과 일치하도록 내부적으로 블랙홀의 빌딩 블록을 배열하는 모든 방법인 블랙홀에 빠진 물질에 대한 무지를 설명하는 영역이 지평선 영역이라고 믿습니다. (연구자들은 여전히 미세 상태가 실제로 무엇인지 모릅니다. 아이디어에는 중력자라고 하는 입자의 구성이나 끈 이론의 끈이 포함됩니다.)
그러나 우주의 엔트로피에 관해서는 물리학자들은 자신의 무지가 어디에 있는지조차 확신하지 못합니다.
XNUMX월에 두 명의 이론가가 우주론적 엔트로피를 보다 확고한 수학적 토대 위에 올려놓으려고 시도했습니다. 테드 제이콥슨블랙홀 열역학에서 아인슈타인의 중력 이론을 도출한 것으로 유명한 메릴랜드 대학의 물리학자 바툴 바니하시미(Batoul Banihashemi) 명시적으로 정의 (비어 있고 확장되는) de Sitter 우주의 엔트로피. 그들은 중앙에서 관찰자의 관점을 채택했습니다. 중앙 관찰자와 수평선 사이에 가상의 표면을 추가한 다음 중앙 관찰자에 도달하고 사라질 때까지 표면을 축소하는 그들의 기술은 엔트로피가 지평선 영역의 XNUMX/XNUMX과 같다는 Gibbons와 Hawking의 답변을 복구했습니다. 그들은 de Sitter 엔트로피가 지평선 내부의 가능한 모든 미세 상태를 계산한다고 결론지었습니다.
Turok과 Boyle은 빈 우주에 대해 Jacobson과 Banihashemi와 동일한 엔트로피를 계산합니다. 그러나 물질과 방사선으로 채워진 현실적인 우주에 관한 새로운 계산에서 그들은 훨씬 더 많은 수의 미시 상태를 얻습니다. 면적이 아닌 부피에 비례합니다. 이 명백한 충돌에 직면하여 그들은 서로 다른 엔트로피가 서로 다른 질문에 답한다고 추측합니다. 더 작은 de Sitter 엔트로피는 수평선으로 둘러싸인 순수한 시공간의 미시 상태를 계산하는 반면, 더 큰 엔트로피는 지평선 안팎의 물질과 에너지. Turok이 말했습니다.
궁극적으로 Boyle과 Turok이 무엇을 세고 있는지에 대한 질문을 해결하려면 Jacobson과 Banihashemi가 de Sitter 공간에 대해 수행한 것과 유사한 미세 상태의 앙상블에 대한 보다 명확한 수학적 정의가 필요합니다. Banihashemi는 Boyle과 Turok의 엔트로피 계산을 "아직 완전히 이해되지 않은 질문에 대한 답"으로 본다고 말했습니다.
우주론자들은 "왜 이 우주가 존재하는가? 특히 현대 인플레이션 이론은 우주의 매끈함과 평탄함 이상의 문제를 해결하게 되었습니다. 하늘에 대한 관측은 다른 많은 예측과 일치합니다. Turok과 Boyle의 엔트로피 주장은 주목할만한 첫 번째 테스트를 통과했지만 Pimentel은 더 심각한 인플레이션에 필적하는 다른 더 자세한 데이터를 못 박아야 할 것이라고 말했습니다.
무지를 측정하는 양에 걸맞게 엔트로피에 뿌리를 둔 미스터리는 이전에 알려지지 않은 물리학의 전조 역할을 했습니다. 1800년대 후반에 미세한 배열의 측면에서 엔트로피에 대한 정확한 이해는 원자의 존재를 확인하는 데 도움이 되었습니다. 오늘날 희망은 우주론적 엔트로피를 다양한 방법으로 계산하는 연구원들이 그들이 답하고 있는 질문이 무엇인지 정확히 알아낼 수 있다면, 그 숫자들이 어떻게 시간과 공간의 레고 블록이 쌓여 우주를 창조하는지에 대한 유사한 이해로 그들을 안내할 것이라는 것입니다. 우리를 둘러싸고 있습니다.
"우리의 계산은 양자 중력의 미시적 이론을 구축하려는 사람들에게 엄청난 추가 동기를 부여합니다."라고 Turok은 말했습니다. "그 이론이 궁극적으로 우주의 대규모 기하학을 설명할 것이라는 전망이 있기 때문입니다."
