초끈 이론에서 파생된 퍼즈볼 이론은 오랫동안 양립할 수 없었던 양자역학과 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 조화시키는 블랙홀에 대한 설명으로 지지자들에 의해 발전되었습니다.퍼즈볼 이론은 블랙홀의 사건 지평선 안에 있는 전체 영역이 실제로 확장된 물체, 즉 물질과 빛의 궁극적인 구성 요소로서 진보된 끈의 공이라는 가정을 함으로써 블랙홀의 중심에 특이점을 발산합니다.끈 이론에서 끈은 공간의 세 가지 물리적 차원뿐만 아니라 콤팩트한 방향(양자 거품 안에 짜여진 여분의 차원)으로 복잡한 방식으로 진동하는 에너지 묶음입니다(아래 그림 2 참조).[1]
퍼즈볼 이론은 고전적인 블랙홀 이론이 현대 물리학에 제기하는 두 가지 다루기 힘든 문제를 다루고 있습니다.
블랙홀의 중심부에 있는 중력 특이점은 사건의 지평선으로 둘러싸여 있다고 생각되며, 블랙홀의 내부는 우주의 나머지 시공간으로부터 떨어져 있습니다(그림 1 참조). 기존의 블랙홀 이론은 특이점이 0차원이라고 주장합니다.블랙홀의 모든 질량이 무한한 밀도로 존재하는 부피가 0인 지점.[1][Note 1]중력이 너무 강해서 시공간 자체가 치명적으로 파괴되기 때문에 현대 물리학은 그러한 극단에서 분해됩니다.
그것은 전통적인 블랙홀 이론이 고전적인 블랙홀에 속하는 빛과 물질을 설명하는 양자 정보가 특이점에서 소멸되는 것으로 생각한다고 주장하는 블랙홀 정보 역설을 해결합니다.또는 특이점 내에 어떻게든 보존되지만 양자 정보는 사건 지평선에 도달하고 탈출하기 위해 블랙홀 내부의 무한한 중력 강도에 대항하여 올라갈 수 없습니다.양자 정보를 보존해야 하는 양자역학의 기본 법칙에 위배되는 상황입니다.[1][2]
그림 1 하와이 오아후 섬 상공에 표시된 것은 6.8 태양질량, 지름 40킬로미터(25마일)의 놀라운 고전적인 블랙홀의 단면입니다(심플함을 위해 회전하지 않고 완벽한 구형임에도 불구하고).그것은 특이점, 사건 지평선, 그리고 시공간과 단절된 그들 사이의 공백으로 구성됩니다.퍼즈볼 이론은 블랙홀이 사건의 지평선에 정확하게 위치한 물리적 표면을 가진 퇴화 물질의 궁극적인 형태의 공이라고 가정합니다.
사미르 D.박사후 연구원인 Oleg Lunin과 함께 The Ohio State University의 Mathur는 2002년에 두 개의 논문을 통해 블랙홀이 실제로는 일정한 부피를 가진 구와 같은 확장된 물체라는 것을 제안했습니다. 블랙홀은 특이점이 아닙니다. 고전적인 관점은 오른쪽 그림 1에서 볼 수 있듯이 블랙홀이 들어가는 0차원, 0 부피 지점이라고 주장합니다.전체 질량은 수 킬로미터 떨어진 곳에서 사건의 지평선인 무한한 밀도에 집중되어 있습니다.[3]
끈 이론과 초끈 이론 모두 힘 전달자(예: 보손, 광자, 글루온)를 포함한 아원자 입자의 기본 구성 요소는 모두 다른 모드 및/또는 주파수에서 진동함으로써 정체성을 띠는 에너지 끈으로 구성되어 있습니다(그림 2 참조).블랙홀을 특이점으로 보는 관점과는 달리, 작은 퍼즈볼은 중성자가 상전이를 겪고 분해되어 쿼크(끈 이론의 끈)를 해방하는 초밀도 중성자별로 간주될 수 있습니다.따라서 퍼즈볼은 퇴화 물질의 말단 단계로 이론화됩니다.
마투르와 루닌은 퍼즈볼의 물리적 표면이 고전적인 블랙홀의 사건 지평선의 반지름과 동일하다고 계산했습니다. 따라서 슈바르츠실트 반지름은 유비쿼터스 6.8 태양질량입니다.M☉) 항성질량 블랙홀 혹은 퍼즈볼은 스핀의 영향을 제외할 때 20 킬로미터입니다.연구팀은 또한 퍼즈볼의 사건의 지평선이 매우 작은 규모(플랑크 길이 정도)에서 안개와 매우 비슷할 것이라고 판단했습니다: 흐릿하기 때문에 퍼즈볼(fuzzball)이라는 이름이 붙었습니다.
그림 2 퍼즈볼 이론에 따르면 줄은 길이에 따른 다양한 진동 모드 외에도 장난감 슬링키처럼 나선형으로 끈의 길이를 따라 감싼1 S 모드와 같이 "압축"된 추가적인 차원(공간의 3차원을 넘어)에서 자유도를 가지고 있다고 합니다.
고전적 모델 블랙홀의 경우, 사건 지평선을 통과하여 특이점으로 가는 물체는 탈출 속도가 빛의 속도를 초과하는 곡선 시공간 영역으로 들어가는 것으로 간주됩니다. 이 영역은 모든 구조가 없는 영역입니다.또한, 특이점, 즉 고전적인 블랙홀의 중심에서 시공간 자체는 무한한 탈출 속도를 필요로 하기 때문에 치명적으로 파괴되는 것으로 여겨집니다. 이러한 조건은 알려진 물리학에서 문제가 있습니다.그러나 퍼즈볼 이론에서는 물질과 광자로 구성된 끈이 퍼즈볼 표면에 떨어져 흡수되는 것으로 간주되는데, 퍼즈볼 표면은 사건의 지평선(탈출 속도가 빛의 속도에 도달한 임계값)에 위치합니다.
그림 3 퍼즈볼 이론은 블랙홀이 중심에 무한한 밀도의 특이점을 가진 공극이 아니라 확장된 물체라고 가정합니다.비회전 6.8에서 얻은 단일 물방울 크기의 경우M☉ 퍼즈볼(그림 1에 표시된 크기)의 평균 질량은 2천만 미터 톤이며, 이는 뉴욕 로어 맨하탄에 있는 약 4개의 도시 블록에 걸쳐 있는 지름 243 미터의 화강암 공과 맞먹습니다.
퍼즈볼은 블랙홀입니다; 시공간, 광자, 그리고 퍼즈볼의 표면에 아주 가까이 있지 않은 다른 모든 것들은 그것의 중심에 특이점을 특징으로 하는 블랙홀의 고전적인 모델과 정확히 같은 방식으로 영향을 받는 것으로 생각됩니다.고전적인 블랙홀과 퍼즈볼은 사건의 지평선 가까이에 형성되는 가상 입자에 영향을 미치는 방식뿐만 아니라 내부 구성에 있어서만 다릅니다. (아래의 § 정보 역설 참조).퍼즈볼 이론은 지지자들에 의해 블랙홀의 진정한 양자적 설명으로 여겨집니다.
퍼즈볼은 분수 장력으로 인해 질량이 증가함에 따라 밀도가 낮아집니다.물질 또는 에너지(끈)가 퍼즈볼에 떨어지면 더 많은 문자열이 퍼즈볼에 단순히 추가되지 않고, 문자열이 함께 융합되며, 이렇게 함으로써 더 크고 더 복잡한 문자열의 모든 양자 정보가 됩니다.부분 장력으로 인해, 스트링 장력은 진동 모드가 더 복잡해짐에 따라 기하급수적으로 감소하고 상당한 길이로 이완됩니다.마투르와 루닌의 끈 이론 공식은 87년 전 칼 슈바르츠실트가 완전히 다른 수학적 기술을 사용하여 계산한 슈바르츠실트 반경과 정확히 같은 퍼즈볼 표면 반경을 만듭니다.[4]
퍼즈볼의 부피는 슈바르츠실트 반지름의 함수이기 때문에 (1개당 2953m)M rotating 블랙홀이 아닌 경우), 퍼즈볼은 질량의 역제곱에 따라 감소하는 다양한 밀도를 갖습니다(twice를 들어 질량은 지름의 두 배, 부피의 여덟 배, 밀도는 1/4이 됩니다).일반적인 6.8M☉ 퍼즈볼의 평균 밀도는 4.0x 1017 kg/m입니다3.퍼즈볼의 밀도는 중성자별, 태양 및 행성과 마찬가지로 밀도가 낮은 표면에서부터 밀도가 가장 높은 중심까지 다양합니다.물 한 방울 크기의 이러한 비회전 퍼즈볼의 약간은 평균적으로 지름 243미터의 화강암 볼과 맞먹는 2천만 미터 톤의 질량을 가질 것입니다(그림 3).[Note 2]
그러한 밀도는 거의 상상할 수 없을 정도로 극단적이지만, 수학적으로 말하면 무한한 밀도와는 무한한 거리가 있습니다.전형적인 항성 질량 퍼즈볼의 밀도는 중성자별과 거의 동일하지만, 밀도는 단일 원자핵의 부피에 포장된 우주의 질량에 해당하는 플랑크 밀도(5.155×1096 kg/m3)보다 몇 배나 작습니다.[Note 3]
그림 4 아인슈타인의 1915년 일반 상대성 이론은 중력이 시공간에 어떻게 영향을 미치는지를 확립했습니다. 민코프스키시공간 도표의 유형을 묘사하는 이 세 가지 창에 나와 있습니다.블랙홀에서 멀리 떨어진 곳에서는 입자와 광자가 어떤 방향으로든 움직일 수 있는데, 이는 곡선 모양의 화살표로 나타납니다.±45°에서의 제한 광선은 시간이 빛의 속도로 위로 이동할 때 빛의 속도로 좌우로 직접 이동하는 광자를 나타냅니다.
사건의 지평선 가까이에서 블랙홀을 직접 향하지 않는 광자 경로가 오른쪽으로 이런 저런 정도로 전단되고, 블랙홀을 탈출하는 광자는 중력에 맞서 올라갈 때 에너지를 잃고 적색편이됩니다."직진"은 "공백 상태에서 광자가 택한 경로"이기 때문에 광자 경로를 왜곡하는 질량은 시공간 자체를 왜곡합니다.
사건의 지평선(특이점을 둘러싼 빈 공간 안으로 묘사됨)에서 모든 광자는 모든 에너지를 잃었으며(무한히 적색편이됨) 아무도 빠져나갈 수 없습니다.게다가, 아무리 많은 힘을 가해도 질량을 가진 입자를 들어올릴 수 없습니다.퍼즈볼 이론은 물질과 광자가 사건의 지평선에서 정확히 물리적 표면과 충돌한다고 주장합니다.
질량 밀도 역제곱 법칙 때문에 퍼즈볼이 모두 상상할 수 없는 밀도를 가질 필요는 없습니다.사실상 모든 은하의 중심에서 발견되는 초대질량 블랙홀은 적당한 밀도를 가질 수 있습니다.예를 들어, 우리 은하 중심에 있는 블랙홀인 궁수자리 A*는 4백 3십만입니다.M☉.☉퍼즈볼 이론은 궁수자리 A*와 질량이 같은 회전하지 않는 초대질량 블랙홀의 평균 밀도가 금의 51배에 불과하다고 예측합니다.게다가, 39억으로M☉ 비회전 퍼즈볼의 반지름은 약 77 천문단위로 태양계 태양권의 종말 충격과 같으며 평균 밀도는 해수면에서 지구 대기의 밀도와 같습니다(1.2 kg3/m).[5]
퍼즈볼의 질량, 평균 밀도 또는 심지어 스핀(슈바르츠실트반경에 영향을 미치는)에 관계없이 물리적 표면은 탈출 속도가 빛의 속도와 동일한 임계값인 사건 지평선(초속 299,792,458 미터)에 정확히 위치합니다.[Note 4]탈출 속도는 이름에서 알 수 있듯이 더 작은 물체가 훨씬 더 거대한 물체로부터 탈출하기 위해 달성해야 하는 속도입니다. 11,186 m/s에서 지구의 탈출 속도는 사건 지평선의 1%의 3.7천분의 1에 불과합니다.따라서 사건의 지평선(주변 특이점 또는 퍼즈볼의 표면)은 오른쪽 그림 4와 같이 시공간이 중력에 의해 일반 상대성 이론에 따라 빛의 국소 속도로 휘어진 지점에 놓여 있습니다.[Note 5]
m/s의 측정 단위를 갖는 탈출 속도는 가속도로 알려진 다른 특성인 중력 강도와 구별되며 m/s를2 측정 단위로 갖는다는 것에 유의하십시오.사건 지평선에서의 탈출 속도는 유한한 값(광속)이지만 사건 지평선에서의 중력 강도(그리고 이론화된 퍼즈볼의 표면)는 무한하며, 이는 어떤 질량이든 가진 입자를 무한한 무게로 가득 채웁니다.그러므로, 질량 중심이 사건의 지평선에 위치한 가상의 충돌 불가능한 로켓은 단지 공중을 맴돌기 위해 무한한 추진력을 필요로 합니다.[5]이것은 질량을 가진 물체(심지어 아원자 입자)를 빛의 속도로 정확하게 가속하기 위해서는 무한한 에너지가 필요하다는 특수상대성이론의 요구에 대응되는 일반상대성이론의 "기준 프레임 가속"입니다.
사건 지평선에서의 중력 강도는 아이작 뉴턴의 336년 만의 만유인력 법칙으로 적절하게 계산될 수 없습니다.예를 들어, 뉴턴의 중력 공식은 알려진 가장 큰 초대질량 블랙홀인 피닉스 A(가장 무거운 블랙홀목록 참조)의 사건 지평선에서 1000억으로 추정됩니다.M☉,☉부정확하게는 지구 중력의 약 15배에 불과한 다소 불편하지만 생존 가능한 중력 가속도를 산출합니다.그러나 질량이 시공간을 뒤틀어가는 방식을 설명하기 위해 일반 상대성 이론에 따라 적절하게 계산될 때, 특이점을 둘러싼 사건 지평선과 퍼즈볼의 표면에서 중력 강도는 무한합니다.[Note 6]
앞서 언급한 사건 지평선에서의 무한 중력 가속도 현상은 스파게티화로 알려진 물체에 대한 스트레칭 효과와 구별되며, 이는 치명적인 양의 별 질량 퍼즈볼 표면(또는 특이점을 둘러싼 사건 지평선 위) 수백 킬로미터 위에서 발생할 수 있습니다.스파게티화는 조석력으로 알려진 극심한 중력장 구배의 결과입니다.A 10M☉ 항성급 퍼즈볼은 표면에 1미터 당 1,000억 지구 중력의 중력조를 가지고 있는데, 이 중력조는 낙하하는 우주비행사가 표면에 닿기 훨씬 전에 좁은 페이스트 흐름으로 뻗어 나갈 것입니다.[5]상대적으로 작은 40만명이라도M☉ 초거대 퍼즈볼은 표면에 1미터 당 64 지구 중력의 중력을 가지고 있는데, 지구에서 1미터 톤의 무게보다 더 큰 척추 인장력 때문에 표면에 닿기 전에 먼저 떨어지는 불운한 우주비행사의 몸을 떼어낼 것입니다.[5]
그림 5 연탄이 연소할 때 주변의 산소와 반응하여 가스, 연기 입자, 광자 및 운동 열 에너지를 생성합니다.연소는 이 연탄/주변 시스템을 구성하는 양자 정보를 깊이 스크램블링하여 파동 기능을 완전히 다르게 만듭니다.파동함수에 대한 섭동은 매우 좁은 이론적 의미에서 시간적으로 가역적이지만(양자 섭동을 방해하지 않고 모든 양자 섭동에 대한 완벽한 지식을 얻을 수 있다고 상상함으로써),완전한 이론적 의미에서 연탄/주변 시스템의 원래 성격을 추론하는 것은 불가능합니다.중요한 것은 연소가 양자 정보를 되돌릴 수 없게 혼란시키더라도 양자역학의 법칙을 준수하여 파괴되는 것은 없습니다.
양자 정보의 보존은 무손실 압축(무작위 양자 정보로 포화된 완벽하게 고립된 시스템을 위한 프록시)으로 저장된 디지털 MPEG 동영상 파일을 가져다가 암호키(AC에 있는 원래 파동함수를 재구성할 수 없는 것에 대한 프록시)를 알지 못한 채 암호화하는 것과 유사합니다.자연에서의 무작위 양자 활동은 측정이 확률적이기 때문에, 또한 그러한 측정을 하는 행위가 결과에 영향을 미치기 때문에 완벽하게 알 수 없다는 Born 규칙에 따라:암호화된 파일은 되돌릴 수 없을 정도로 스크램블되지만, 두 파일의 크기는 동일하고 정보 내용도 동일합니다.
고전적인 블랙홀은 물리학에서 블랙홀 정보 역설로 알려진 문제를 발생시킵니다. 퍼즈볼 이론에서는 그러한 역설이 없습니다.이 역설은 1972년 제이콥 베켄슈타인에 의해 처음 제기되었고 나중에 스티븐 호킹에 의해 대중화되었습니다.정보 역설은 양자 정보가 보존되어야 한다는 양자역학의 요구 조건에서 탄생하는데, 이는 블랙홀의 중심에 특이점이 있다면 양자 정보는 시공간에서 소멸되어야 한다는 깨달음과 상충됩니다.이 역설은 더 큰 이론의 서로 다른 부분들 사이의 모순으로 볼 수 있습니다.퍼즈볼 이론은 이러한 긴장을 해소하기 위한 것입니다.
주변의 동반성의 항성 대기(양성자, 중성자, 전자)를 주로 빨아들인 블랙홀이 알려진 양자역학 법칙을 따랐다면, 주변의 항성으로부터 나오는 빛(광자)과 우주 마이크로파 배경만을 빨아들인 다른 블랙홀과는 다른 양자 구성을 갖도록 커져야 합니다.그러나 고전적인 블랙홀 이론의 의미는 피할 수 없습니다.두 고전적인 블랙홀이 낙하하는 물질과 빛에 의해 점점 더 거대해질 것이라는 사실을 제외하고는, 그들의 양자 구성에 이론적으로 차이가 없을 것입니다.특이점이 부피가 0이면 블랙홀은 양자 구성이 없기 때문입니다.반대로, 고전적인 블랙홀의 특이점에서 어떤 이유로 양자 정보가 소멸되지 않았다면, 그 정보는 무한한 중력에 대항하여 정상 시공간의 경계에서 존재할 사건 지평선의 표면에 도달할 수 없을 것입니다.두 가지 상황 모두 양자 정보를 보존해야 하는 양자역학 법칙에 위배됩니다.
호킹 복사(광자와 블랙홀 근처에서 방출되는 것으로 생각되는 다른 양자를 포함하는 감지할 수 없는 복사)는 중심에 특이점이 있는 고전적인 블랙홀에 대한 정보 역설을 피하지 않을 것입니다. 고전적인 블랙홀의 질량, 각운동량 및 전하만을 밝힐 수 있습니다.그러나 퍼즈볼 이론은 퍼즈볼에 떨어진 것에 대한 양자 정보가 탈출하는 호킹 복사에 미묘하게 각인되어 있다고 예측함으로써 역설을 해결합니다.
호킹 복사는 질량이 없고 실제로 중성인 가상 입자 쌍(이 주제의 현대 설명을 위한 가상 광자)이 사건 지평선과 가깝지만 바깥에서 형성될 때마다 생성됩니다.[Note 7]가상 입자 쌍의 한 구성원은 음의 질량 에너지(절대 = 2 displaystyle E = mc^{2})를 가지고 있고, 다른 구성원은 양의 질량 에너지를 가지고 있으며, 평균 쌍의 순 에너지는 0입니다.음의 에너지를 가진 가상 광자가 포획됩니다. 양자 터널링을 통해 사건 지평선을 따라 내려가 블랙홀의 일부가 됩니다(에너지와 동일한 양의 질량을 빼앗습니다).한편, 긍정적인 에너지를 가진 쌍의 구성원은 블랙홀로부터 에너지가 차지하는 비중을 블랙바디 열방출로 가져가며 방출됩니다. 이것은 방출된 광자가 더 이상 가상이 아니며 실제인 호킹 복사입니다.
앞서 언급한 호킹 복사의 기원에 대한 설명은 매우 단순화되어 있음을 명심해야 합니다.호킹 박사의 과학 논문인 "블랙홀에 의한 입자 생성"이 이론 물리학자들을 대상으로 했고 킬링 벡터장과 같은 난해한 현상들을 탐구했지만, 호킹 박사는 블랙홀 열 방출을 담당하는 메커니즘에 대한 그의 설명이 "발견주의적일 뿐이며 너무 문자적으로 받아들여져서는 안 된다"고 경고했습니다.그러나 휴리스틱 교수는 '순수한 수업이 아닌 발견과 문제해결을 통해 학생들이 스스로 학습하는 교수법'을 의미한다는 점에 유의할 필요가 있지만,이론 물리학에서 동사 휴리스틱은 "실제보다 더 간단한 방식으로 처리"된 반면 복합 명사 휴리스틱 접근법은 "현상을 조사하거나 설명하는 더 단순하거나 더 직관적인 방법"을 의미하는 경향이 있습니다.[7]그럼에도 불구하고, 호킹 박사가 동료들에게 그의 설명을 너무 받아들이지 말라고 충고한 것은 말 그대로 호킹 방사선의 근본이 되는 복잡함을 보여주는 것입니다.그의 조언은 또한 주어진 질량의 블랙홀에서 나오는 광자 방출을 흑체 온도와 연관시키는 수학 공식을 만들어낸 그의 놀라운 업적을 강조합니다.그 공식에서 호킹은 열역학을 양자역학, 상대성 이론, 뉴턴 역학, 중력 등 물리학의 다양한 상이한 학문과 연결시켰습니다.
블랙홀 열 방출의 흑체온을 계산하는 호킹 공식
블랙홀에 의해 방출되는 호킹 복사의 양 또는 블랙홀의 광도는 질량의 제곱에 반비례합니다.이러한 계산은 호킹 방사선이 광자로만 구성된다고 가정합니다. 이러한 가정은 위키피디아의 관련 기사와 이를 통해 사용됩니다.그 방정식은 다음과 같습니다.
용어 L(휘도)은 와트(호킹 방사선의 와트 중 극히 작은 부분) 단위의 전력을 나타내며, 이는 질량 손실률과 같은 다른 측정으로 변환될 수 있습니다.공식의 다른 용어에 대한 자세한 내용은 본 기사의 범위를 벗어나며 베켄슈타인-호킹 공식에서 다룹니다.이 공식의 이름은 호킹 박사의 업적보다 몇 년 앞서 블랙홀 이론의 중요한 토대를 마련한 제이콥 베켄슈타인(1947–2015)을 기립니다.
순수하게 이론적인 의미에서, 마투르와 루닌에 의해 진보된 퍼즈볼 이론은 퍼즈볼에 떨어지는 끈의 양자 정보가 퍼즈볼의 양자 구성에 용해되고 기여함에 따라 부분적으로 보존된다는 것을 주장하기 때문에 양자 정보가 보존되어야 한다는 요구를 충족합니다.이 이론은 또한 퍼즈볼의 양자 정보가 표면에서 표현될 뿐만 아니라 사건 지평선의 터널링 퍼지를 통해 터널링되어 호킹 복사에 각인될 수 있으며, 이 정보는 나가는 양자에서 섬세한 상관 관계의 형태로 매우 천천히 정규 시공간으로 전달된다는 것을 주장합니다.[1]
블랙홀 정보 역설에 대한 퍼즈볼 이론의 제안된 해결책은 양자역학과 일반 상대성 이론 사이의 상당한 비호환성을 해결합니다.아인슈타인이 양자역학에 중요한 기여를 했지만, 그는 그것에 반대를 했습니다.그의 남은 경력 동안 아인슈타인은 우주의 모든 측면을 설명하는 통합 이론, 말하자면 모든 것의 이론을 찾았지만 허사였습니다.[8][9]현재까지도 일반 상대성 이론과 조화를 이루는 양자 중력 이론인 양자 중력 이론은 널리 인정되고 있지 않지만 퍼즈볼 이론과 M-이론과 같은 다른 형태의 끈 이론이 후보로서 진보했습니다.[1][10]
이론의 시험가능성
끈 이론이나 퍼즈볼 이론을 뒷받침하는 직접적인 실험적 증거가 없기 때문에 둘 다 순전히 계산과 이론적 연구의 산물입니다.[11]그러나 이론의 타당성을 확인할 수 있는 가능성이 있는 경우에는 실험적으로 시험할 수 있어야 합니다.[12]아인슈타인의 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론처럼 과학적 방법에 완전히 부합하고 언젠가는 사실로 널리 받아들여지기 위해서는 자연계에 대한 관찰을 통해 일관되게 확인되는 예측을 해야 합니다.퍼즈볼 이론은 호킹 복사에 대한 예측된 미묘한 영향을 관찰함으로써 입증될 수 없습니다. 왜냐하면 복사 자체는 실질적인 목적을 위해 감지할 수 없기 때문입니다.[13]그러나 퍼즈볼 이론은 중력파 천문학을 통해 시험할 수 있습니다.[14]
그림 6 메시에 87의 중심에 있는 초거대 블랙홀, 약 6.5 x 109M☉,해왕성의 궤도경보다 43배나 큰 피크 방출 파장을 가진 호킹 ☉복사를 방출합니다.
퍼즈볼 이론은 양자 정보가 퍼즈볼에 보존되고 퍼즈볼의 표면 바로 위에 있는 플랑크 규모의 양자 거품 안에서 발생하는 호킹 복사가 그 정보로 미묘하게 부호화된다는 주장을 통해 일반 상대성 이론과 양자 역학 사이의 오랜 갈등을 해결합니다.그러나 실제적인 문제로서, 호킹 복사는 블랙홀이 천문학적으로 낮은 파워 레벨로 방출하고 호킹 복사를 구성하는 개별 광자는 에너지가 매우 적기 때문에 사실상 검출이 불가능합니다.[13]이것은 이론적으로 완벽하게 정지해 있는 블랙홀(우주에 있는 블랙홀은 흡수할 물질이나 다른 종류의 전자기 방사선을 포함하지 않음)이 호킹 복사를 통해 에너지를 잃으면서 천천히 증발하는 이유를 설명합니다. 심지어 작은 4.9도 마찬가지입니다.M☉ 블랙홀이 사라지기 위해서는 현재 우주의 10배의59 나이가 필요합니다.게다가, 1,060억 개의 초거대 블랙홀은 우주의 나이의 10배에90 달하는, 여전히 증발하기 위해서는 천만조 배의 더 긴 시간이 필요할 것입니다.[5]
호킹은 호킹 복사에 의해 방출되는 광자의 에너지가 블랙홀의 질량에 반비례한다는 것을 보여주었고, 결과적으로 가장 작은 블랙홀들은 가장 에너지가 넘치는 광자를 방출하며, 이는 검출하기 가장 어려운 것입니다.하지만 최소한의 크기로도 방출되는 방사선은 2.7.M☉ 블랙홀(또는 퍼즈볼)은 절대영도의 약 230억분의 1 켈빈의 온도를 가진 흑체가 방출하는 광자와 동등한 에너지를 지닌 극도로 낮은 광자로 구성되어 있습니다.더욱 어려운 점은, 이러한 블랙홀은 전체 블랙홀에 대해 1.2×10−29 와트(120억 분의 1 밀리와트)의 복사 파워를 가지고 있다는 점입니다.[5]이러한 극소량의 전송 전력은 물 한 방울의⁄(일반적인 식탁용 소금 한 알의 약 4분의 1 부피)이 지구의 모든 해양에 미치는 것과 마찬가지로 1와트입니다.
결정적으로, 신호가 이 정도로 취약한 경우, 더 이상 이득 및 신호 대 잡음비와 같은 고전적인 전파 천문학 기술 문제 중 하나가 아닙니다.호킹 방사선은 개별 광자 양자로 구성되므로 이러한 약한 신호는 2.7을 의미합니다.M☉ 블랙홀은 초당 최대 10개의 광자만을 방출합니다.[Note 9]비록 그러한 블랙홀이 단지 100광년 밖에 떨어져 있지 않다 하더라도, 인간이 지켜보는 동안 호킹 복사 광자들 중 하나가 안테나에 의해 포착되는 것은 고사하고 지구상 어디에나 착륙할 확률은 천문학적으로 불가능합니다.[Note 10]중요한 것은 위의 값들이 가능한 가장 작은 항성 질량 블랙홀에 대한 값이라는 것입니다. 아직 발견하기 어려운 것은 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀에 의해 방출되는 호킹 복사입니다.예를 들어, M87*(그림 6)은 놀라운 초대질량 블랙홀로서 세기당 최대 13광자의 거의 존재하지 않는 복사력으로 호킹 복사를 방출하며, 이는 흡수 효율이 태양계보다 약간이라도 더 클 정도로 파장이 큽니다.[5]
퍼즈볼 이론은 중력파 천문학을 통해서도 쉽게 실험할 수 있습니다.중력파를 최초로 직접 감지한 이래로, 2015년 GW150914로 알려진 사건은 항성질량 블랙홀의 쌍성이 합쳐진 것입니다.LIGO와 처녀자리 중력파 관측소가 감지한 중력파 신호는 지금까지 특이점을 중심으로 고전 블랙홀에 대한 일반 상대성 이론의 예측과 일치했습니다.하지만, 컴퓨터 시뮬레이션을 실행한 이탈리아 과학자 팀은 2021년에 기존 중력파 관측소가 퍼즈볼의 사소하지 않은 독특한 특성 때문에 이진 블랙홀을 병합하는 신호에서 퍼즈볼 이론을 뒷받침하는 증거를 구별할 수 있다고 제안했습니다.물리적 구조를 가진 확장된 물체입니다.연구팀의 시뮬레이션은 이전 링 진동의 "에코"에 의해서도 지배될 특정 진동 모드의 붕괴 속도가 예상보다 느릴 것이라고 예측했습니다.[14]게다가 1년 전 이탈리아의 또 다른 연구팀은 현재 관측소의 한계보다 훨씬 낮은 주파수에서 고질량 쌍성 병합을 관측할 수 있는 능력을 갖춘 것을 목표로 제안된 LISA(Laser Interferometer Space Antenna)와 같은 미래의 중력파 탐지기가 있다고 가정했습니다.퍼즈볼 이론의 양상을 규모의 순서에 따라 확인하는 능력을 향상시킬 것입니다.[15]
^시공간 측정에서 의미를 갖는 물리학에서 가장 작은 선형 차원은 플랑크 길이로 1.616255(18)×10m−35(CODATA 값)입니다.플랑크 길이 아래에서는 양자 거품의 효과가 지배적이며, 더 미세한 규모로 길이를 추측하는 것은 무의미합니다. 1분 후 미래에 폭풍이 몰아친 바다에 떠 있는 부표의 위치를 1밀리미터의 정밀도로 예측하는 것이 얼마나 무의미한지와 마찬가지로 말입니다.특이점이 존재하고 플랑크 밀도(5.155×1096 kg/m3)와 동일한 밀도로 0이 아닌 직경을 가진다면 최소 2.7M☉ 특이점은 7.8×1012 플랑크 길이(1.26×10m−22)의 직경을 가진 0이 아닌 확실한 부피를 가질 것이며, 이는 커 보이지만 여전히 전자보다 훨씬 작고 세계적인 10 TeV 입자 가속기(10m−19)로 조사할 수 있는 최소 치수보다 1000배나 작습니다.또는 최소 2.7인 경우M☉ 특이점은 플랑크 길이를 평균하는 양자 제한 직경을 가지고 있으며, 플랑크 밀도를 훨씬 초과하는 평균 2.43×10135 kg/m의3 "퍼지" 밀도를 가지고 있습니다.마지막으로, 특이점들이 정말로 무한한 밀도를 가진다면, 그들은 반드시 문자 그대로 부피가 0일 것입니다. 즉, 지름이 하나도 없는 플랑크 길이입니다.특이점의 정확한 특성을 설명할 수 없는 이러한 무능력은 수학 공식이 0을 나눗셈으로 사용하고 알려진 물리 법칙이 "부러졌다"고 선언되는 물리 이론의 딜레마를 말해줍니다. 그것은 종종 이론이 불완전하다는 지표입니다.
^작은 퍼즈볼은 아직 더 밀도가 높습니다.지금까지 발견된 블랙홀 중 가장 작은 것인 XTE J1650-500은 3.8 ± 0.5M☉.☉이론물리학자들은 중성자별과 블랙홀 사이의 전이점이 1.7에서 2.7이라고 믿습니다.M☉ (고다드 우주 비행 센터: 나사 과학자들이 알려진 가장 작은 블랙홀을 발견했습니다.)아주 작은 2.7M☉ 퍼즈볼은 6.8의 중간 크기 퍼즈볼보다 6배 이상 밀도가 높습니다.M☉,평균 밀도는 2.53×1018 kg/☉m입니다3.물 한 방울 크기의 작은 솜털은 지름 449미터 화강암 공의 질량인 1억 2천 6백만 미터 톤의 질량을 가지고 있을 것입니다.
^중성자별의 평균 밀도는 3.7~5.9×1017 kg/m로3 추정되며, 이는 7.1~5.6 사이의 중간 크기 퍼즈볼과 같습니다.M☉.☉그러나 가장 작은 퍼즈볼은 중성자별보다 밀도가 높습니다; 작은 2.7M☉ 퍼즈볼은 중성자별보다 4배에서 7배정도 밀도가 높습니다.일반적인 관심 독자층에 대중 언론에서 밀도를 전달하기 위한 일반적인 척도인 "티스푼"( ≈4.929mL) 기준으로 비교 평균 밀도는 다음과 같습니다.
2.7 M☉ 퍼즈볼: 티스푼당 124억 6천만 톤
6.8 M☉ 퍼즈볼: 티스푼당 19억 6500만 미터톤
중성자별: 티스푼당 18억에서 29억 미터톤.
^사건 지평선은 탈출 속도가 블랙홀과 중력 영향권 밖에 정지해 있는 모든 관측자들의 진공 속 빛의 속도와 같은 곳에 위치합니다.
^질량에 의한 공간의 뒤틀림은 아인슈타인의 첫 번째 상대성 이론(이후 "특수 상대성"으로 알려진)이 아닌, 기준 프레임과 중력의 가속 효과(다른 유형의 가속)를 포함하는 두 번째 상대성 이론(후에 "특수 상대성"으로 알려진)에서 설명됩니다.이론 물리학자 존 A.제2차 세계 대전 이후 미국에서 일반 상대성 이론에 대한 관심을 되살리는 데 크게 기여한휠러는 일반 상대성 이론에 대한 다음과 같은 자주 인용되는 요약을 썼습니다. "물질은 시공간이 어떻게 곡선을 그리는지 알려주고, 곡선 시공간은 어떻게 움직일지 알려줍니다."특수상대성이론을 보여주는 민코프스키 시공간 도표
이 두 이론("특별한"과 "일반적인")이 어떻게 연관되어 있고, 자연의 법칙을 설명하고, 결국 그들의 이름(그 범위 또는 의미를 설명하는)을 얻게 되었는지,아인슈타인이 모든 기준 틀에서 모든 관측자의 관측을 정확하게 예측하고 칼 슈바르츠실트가 사건 지평선의 반지름을 정확하게 계산할 수 있도록 한 통합 이론에 중력의 영향을 통합하려고 노력한 다년간의 과정.
진공에서의 빛의 속도는 광원과 관찰자 사이의 상대적인 움직임에 관계없이 모든 관찰자에게 동일합니다.
아인슈타인이 1920년대에 방정식을 쓰기 시작하고 제2차 세계대전 이후 원자력 시대가 시작되면서 대중문화에 입문한 질량-에너지 등가성에 관한 유명한 공식인 E = mc는 특수상대성이론이나 일반상대성이론에 관한 논문의 일부가 아니었습니다. 그것은 별도의 1905년 저널 논문 Ist die Trägheit에서 나온 것이었습니다. 아이네스 쾨르퍼스 폰 세이넴 에너지가 아반게그를 막습니까? (한 물체의 관성은 그것의 에너지 내용물에 의존합니까?)이 논문에서 아인슈타인은 원래 산문에서 부분적으로 동등성을 표현했는데, "만약 물체가 복사의 형태로 에너지L을 방출한다면,질량은 L/V만큼2감소합니다."라고 썼습니다. 아인슈타인이 초기에 에너지의 기호로E 대신 L을 사용하고 빛의 속도를 나타내는 기호로 c 대신 V를 사용한 것에 주목하십시오.이는 전적으로 m = L/V, L = mV로 상징적으로 표현될 수 있습니다.
아인슈타인의 1914년 논문인 "일반상대성이론의 기초"는 "일반 이론"이라는 용어를 처음으로 언급하고 그의 이전 이론을 "특수 상대성 이론"이라고 언급했습니다.논문의 전문에서 다음과 같이 언급합니다.
다음 페이지에서 설명하는 이론은 현재 "상대성 이론"으로 알려진 이론 중 가장 광범위한 일반화를 형성합니다. 이 후자의 이론은 이전의 "특수 상대성 이론"과 구별되며, 알려진 것으로 가정합니다.
1916년 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 확장하여 독일어 논문인 알제미넨 상대성 이론(Die Grundlage der algeminen Relativitätorie)에서 특수 상대성 이론과 결합시켰습니다. 특별 이론과 일반 이론)은 독일어 물리학 저널, 아날렌더 피식(물리학 연보), 354권, 7호에 54페이지로 구성되어 있습니다. 다운로드 가능하고 검색 가능한 2.4 MB짜리 독일어 PDF를 Wiley Online Library에서 이용할 수 있습니다.
나중에, 아인슈타인은 아인슈타인의 작품을 번역했던 영국 물리학자 로버트 W. 로슨과 공동으로 1916년 저널 논문을 더 확장했고 그의 이론을 그 논문과 같은 제목의 영어 하드커버 책으로 통합했습니다.먼지 재킷에 대한 로슨의 서문이 다른 두 가지 버전이 1920년에 출판되었습니다: 1) 미국에서는 상대성이라는 제목의 182페이지(168페이지)짜리 책으로 출판되었습니다.Henry Holt and Company, New York; 그리고 2) 상대성이라는 제목의 138페이지짜리 인쇄물로 영국에서: 특수 이론과 일반 이론.런던 Methuen & Co., Ltd.의 인기 박람회.
이 책에서 아인슈타인은 그의 첫 번째 이론(움직이는 물체의 전기역학에 관한)을 "특수 상대성 이론"이라고 언급한 근거를 설명했습니다; 그것은 특정한 혹은 특별한 기준 프레임의 부분집합(비가속적인 것들)에만 유효했습니다.아인슈타인이 노력해온 것은 관성적이든 가속적이든 모든 관측자들에게 적용할 수 있는 통일된 이론이었습니다.아인슈타인이 보기에 그러한 통일된 이론은 모든 것을 포괄하는 보편적인 자연의 법칙을 준수하는 미덕을 가질 것입니다.독일어 형용사 "allgemeinen"(알게마이넨 상대성이론)은 다음과 같습니다. 특수 이론과 일반 이론)은 "일반"으로 번역되지만 영어 기술 문서에서 일반적으로 "넓지만 반드시 구체적이지는 않다"는 의미와 미묘하게 다릅니다."allgemeinen"이라는 단어는 어근 형용사 "allgemein"(영어만 사용하는 사람들을 위한 가까운 발음은 I'll-guh-mine이고, 음절 I'll은 "I will"의 축약처럼 발음된다)의 변형입니다. 독일어에서 문맥에 민감한 의미를 가진 단어 중 하나는 특히 기술적인 문제에서 "보편적"을 의미합니다.다음은 그의 1920년 저서 "상대성이론"에서 따온 것입니다. 특수 이론과 일반 이론:
상대성 원리의 유효성은 이들 참조체에 대해서만 가정되었고, 다른 것들(예를 들어 다른 종류의 운동을 가진 사람들)에 대해서는 가정되지 않았습니다.이런 의미에서 우리는 특수상대성이론, 즉 특수상대성이론에 대해 말합니다.
....
또는 간단히 말해:일반적인 자연 법칙은 로렌츠 변환과 관련하여 공변형입니다.
이것은 상대성 이론이 자연법칙을 요구하는 확실한 수학적 조건이며, 이 덕분에 이론은 자연법칙의 일반적인 탐구에서 귀중한 발견적 도움이 됩니다.자연의 일반적인 법칙이 발견된다면...
^적어도 2023년까지만 해도 물리학 토론 게시판, 과학 웹사이트, 심지어 대학 물리학과 교수가 칠판에 쓰는 계산법 등 온라인 대중문화 사이트에서는 사건의 지평선에서 무한대 물체의 무게(중력가속도)에 대한 오해가 확산되고 있었습니다.적어도 이러한 오해의 근본적인 원인은 의 법칙에 대해 뉴턴의 grasp 쉬운 공식 F = G m 2 r 2 {\displaystyle F = G{\frac {m_{1} m_{2}}{r^{2}}},아인슈타인의 일반 상대성 이론의 영향과 극도의 중력이 시공간에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 적절한 이해보다.이러한 실수는 일반 상대성 이론이 블랙홀 주위의 사건 지평선의 존재를 설명하지만, 사건 지평선은 뉴턴의 만유인력 법칙이 적용되는 일반적인 왜곡되지 않은 시공간의 일부로 여전히 남아 있는 논리적인 논스퀴터에서 비롯됩니다.실제로, 사건의 지평선은 슈바르츠실트의 = 2 {\displaystyle R_{s} = {\frac {이들의 탈출 속도가 빛의 속도와 같고 중력 가속도가 무한하기 때문에 시공간에서 단절되므로 더 이상의 계산은 필요 없습니다.
^호킹 박사는 1975년 논문에서 블랙홀이 방출하는 방사선은 현재 "호킹 방사선"이라고 불리는 질량이 없는 가상 입자로만 구성될 것이라고 썼습니다.그는 광자, 중력자, 중성미자, 그리고 다른 "질량 없는 페르미온"으로 그 구성물을 명시했습니다.그의 논문은 중성미자가 실제로 질량을 가지고 있다는 것을 발견하기 전이었습니다.
^블랙홀의 가상 광자에 대한 논의에서 "음의 질량 에너지" 또는 단순히 "음의 에너지"(절대 = 2 displaystyle E = mc^{2}} 감각에서)의 의미는 일반적으로 실험실의 가상 광자에 대해 "음의 에너지"가 의미하는 것과 다소 다릅니다.가상 광자는 배경 전자기장의 진동으로, 그렇지 않으면 순수한 진공이 제로 에너지를 포함하지 못하도록 합니다.가상 광자는 파장(주파수 또는 "색"), 운동량(실제 광자와 달리 매우 가변적), 편광(회전각 운동량)으로 특징지어집니다.
불행히도, "부정적인 에너지", "반입자", 그리고 "반물질"과 같은 용어들은 오랫동안 대중의 오해에 희생되어 온 주제에 혼란을 가중시킬 수 있습니다.게다가 광자가 "파동"으로 가장 잘 묘사되는지 아니면 "입자"로 묘사되는지의 문제는 공식적으로 다루지 않는다면 호킹 복사에 대한 간단하고 접근하기 쉬운 설명일 필요가 없습니다.따라서 호킹 복사를 "사건 지평선을 통한 음의 에너지 터널링을 가진 가상 광자로부터 발생"하는 것으로 간주할 수 있는 맥락을 확립하기 위해서는 광범위한 주제에 대한 짧은 논문이 필요합니다.
"파동-입자 이중성"은 이미 이해하기 어려운 주제에 복잡성을 더합니다.이러한 이중성은 광자가 단순히 "입자"가 아니라 "전자파장에서 전파되는 양자화된 파동 패킷"으로 언급될 때 흔히 발생합니다.광자를 "입자"라고 부르는 것은 이중 슬릿 실험에서 광 검출기에 부딪힌 후 광자의 특성을 더 정확하고 편리하게 설명하는 것입니다. "광자의 파동 함수가 한 점으로 붕괴됩니다."라고 말하는 것은 불필요하게 무겁습니다.특히 호킹 박사가 직접 쓴 호킹 방사선에 관한 논문에서 "한 쌍의 입자는 음의 에너지를, 한 쌍은 양의 에너지를 가진 입자가 있을 것입니다." 여기서는 입자 기반의 방언을 사용하는 것이 매우 유용합니다.그럼에도 불구하고 호킹 복사를 제대로 덮기 위해서는 가상 광자의 파동 특성을 다루어야 합니다.
가상 광자 쌍의 한 구성원이 음의 에너지를 가질 수 있지만, 이것은 전하 결합("C-대칭"에 의해 허용되는 전하의 반전)의 산물도 아니며, 반물질이 정의상 "일반 물질과 반대되는 전하를 가진 물질"이기 때문에 반물질도 아닙니다.광자는 그들 자신의 반입자(반입자처럼 반물질을 혼란스럽게 포함하는 넓은 계열)로 간주되지만, 광자는 보다 구체적으로 진정한 중성입자/반입자입니다.게다가, 실제 광자는 항상 빛의 속도와 운동량 벡터의 곱과 같은 에너지를 가지고 있어야 하며, 휴식 질량이 0이어야 합니다.
실험실에서 가상 광자는 다른 종류의 운동량을 가지고 있으며 물질과 그에 수반되는 전자기장과 다른 방식으로 상호작용합니다.가상 광자는 어디에나 존재하며, 양이 원자를 둘러싸고 있는 전자의 전자기장과 상호작용하면서 그 효과는 관찰할 수 있습니다.이 활동은 또한 거의 절대영도에 있는 헬륨이 실온에서 동결되는 것을 막는 정도로 물질을 뒤섞는 영점 에너지의 기초가 됩니다.가상 광자는 또한 밀접하게 이격된 두 개의 판을 서로 짜내는 카시미르 효과에도 책임이 있습니다.가상 광자는 또한 편광될 수 있습니다. 즉, 스핀-각 운동량의 양자적 특성을 가지고 있으며, 이는 하전 입자의 각 운동량에 결합할 수 있습니다.
간단히 말하면, 위의 세 가지 효과, 즉 램 시프트, 카시미르 힘, 그리고 영점 에너지로 인한 헬륨이 실내 압력에서 얼지 못하는 것은 가상 광자의 집합적인 활동에서 비롯됩니다.좀 더 정확하게, 그리고 무겁게, 이 세 가지 효과는 양자 전기역학장의 진동의 결과이며, 이로 인해 QED 진공이 0이 아닌 상태(또는 단순히 진공 에너지)가 발생합니다.QED 진공은 우주에 스며드는 모든 퍼베이시브 전자기장의 가장 낮은 에너지 상태입니다. 실제 광자는 이 전자기장에서 이동하는 여기입니다.전자가 0이 아닌 진공 에너지를 설명하는 전자기학의 양자 기반 관점이라는 점을 제외하고 양자 전기역학장과 전자기장은 본질적으로 동일합니다.또한 호킹 복사에 대한 논의에서 "영점 에너지"라는 용어는 실제로는 "진공 에너지"와 교환할 수 있지만 전자는 더 광범위하고 쿼크 수준에서 상호 작용을 지배하는 양자 색역학 진공(QCD)을 포함한 다른 영점장을 포괄합니다.
이것은 입자 기반 뷰에서 "가상 광자 쌍"으로도 알려진 양자 전기역학(QED) 필드에서 단일 진동의 운동량 교란을 보여주는 파동 기반 뷰입니다.이것들은 호킹 방사선으로 구성된 광자의 근원입니다.
여기서 우주에 스며드는 3D QED 필드는 2D 평면에 투영되고 수직 축은 벡터 운동량, p를 절대적(상대론적) 의미로 나타냅니다.위쪽과 아래쪽 돌기는 각각 양의 상대론적 에너지와 음의 상대론적 에너지를 가진 가상 광자를 나타냅니다.이 진동에는 나선형의 비틀림으로 나타나는 스핀각운동량(편파)이 없습니다.진동의 지름은 파장인λ {\displaystyle lambda}}(람다)이며, 순 운동량이 0인 진동의 에너지를 고려할 수 없습니다.
QED 필드(전자파장의 양자 버전)의 단일 진동은 평균적으로 동일하지만 항상 그렇지는 않은 운동량 성분으로 구성됩니다.결과적으로 이러한 진동의 평균 순 상대론적 질량 에너지는 0입니다.QED 진동은 파장의 한 주기 동안 지속되므로 파장이 600 나노미터(실제 광자의 주황색)인 진동은 약 2 펨토초 동안만 존재합니다.
영점 에너지는 모든 유형의 양자장에서 진동으로 구성되며 이론 물리학의 지속적인 연구 대상입니다.부분적으로, 영점 에너지는 QED 진공 에너지에 대한 하이젠베르크 불확정성 원리의 영향으로 발생하며, 이는 비대칭 가상 광자 운동량(비대칭 팽진)을 허용합니다.따라서 QED 분야의 일부 진동은 빠르게 사라지기 전에 0이 아닌 순 운동량과 0이 아닌 순 상대론적 질량 에너지를 가지고 있습니다.운동량 비대칭은 진공 에너지에 기여하지만 호킹 복사를 생성할 필요는 없습니다.
실제 광자의 상대론적 질량 에너지(호킹이 쓴 것처럼 "무한에 대한 relative"인 절대 = 2 displaystyle E = mc^{2} 에너지)는 운동량 벡터와 E = pc당 빛의 속도에 비례합니다.
E는 에너지이고,
p는 운동량 벡터의 크기이며,
c는 빛의 속도 입니다.
개별 가상 광자는 실제 광자와 다릅니다. 하이젠베르크 불확정성 원리에 의해 허용되는 운동량 또는 상대론적 질량 에너지를 전달할 수 있습니다.따라서, 주어진 가상 광자 쌍은 반대의 불평등한 운동량을 가질 수 있습니다.그러나 가상 광자 쌍의 많은 집단에 걸쳐 그들의 순 운동량은 평균 0이고 휴식 질량 에너지와 상대론적 에너지도 마찬가지입니다.
가상 광자 운동량 실험실의 측정과 관련하여, "양의 에너지"와 "음의 에너지"라는 라벨은 외부 전자기장(한 개 이상의 근처 하전 입자로부터)과 관련하여 운동량 벡터인 p(및 동반 에너지)의 방향에 의해 설정된 상대적인 분류입니다.이 규칙은 전자에 대해 긍정적인 에너지를 가진 실제 광자의 행동에서 비롯됩니다. 이는 원자를 둘러싼 전자가 광자를 흡수한 후 낮은 에너지의 원자 궤도에서 높은 에너지의 궤도로 전환하는 스펙트럼 라인의 기초가 됩니다.개별 가상 광자가 같은 전하를 가진 두 입자 사이에서 교환될 때(곧 이어 파트너에 의해), 운동량이 두 입자 사이의 전자기력에 에너지를 더하고 서로 더 강하게 밀어낼 때 양의 에너지를 갖는 것으로 간주됩니다.두 전자 사이에서 교환될 때 양의 에너지 운동량 방향을 갖는 가상 광자는 양전자 사이에서 교환될 때 음의 에너지 운동량을 갖는 것으로 분류됩니다.
그러나 호킹 방사선의 맥락에서 가상 광자에 대한 "양의 에너지"와 "음의 에너지"라는 라벨은 절대적인 의미에서, 또는 호킹이 쓴 것처럼 "무한에 상대적인" 것입니다.절대적인 의미에서 음의 질량 에너지를 가진 가상 광자는 일반적으로 물리적으로 실제가 아닌 것으로 간주됩니다.이것은 양의 운동량과 양의 질량 에너지를 가진 가상 광자가 연구가 쉬운 실제 광자와 똑같이 행동하는 반면 음의 운동량과 음의 질량 에너지를 가진 가상 광자는 연구실에서 분리될 수 없고 연구된 독특한 특성 때문입니다.음의 에너지를 가진 가상 광자를 분리할 수 없는 이러한 무능력은 파동 기반 관점에서 실제로 인간이 분기할 수 없는 우주에 침투하는 양자 전기역학장(전자장)의 개별 진동의 필수적인 부분이기 때문에 예상됩니다.
블랙홀은 실험실에서 할 수 없는 일을 할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있습니다. 즉 가상 광자 쌍을 분리하는 것입니다.이것은 부분적으로 그들의 사건 지평선 근처에 있는 시공간의 곡률 반경이 극도로 작기 때문입니다.파동 기반 현상을 보는 외부 관찰자의 관점에서 블랙홀은 반대 운동량을 가진 QED 진동의 구성 요소를 전단하고, 늘리고, 분기시킬 수 있습니다.호킹 복사는 음의 운동량과 음의 상대론적 질량 에너지(오른쪽 QED 진동의 아래쪽 팽대부)를 가진 진동의 부분이 블랙홀로 통과할 때 발생합니다.이는 QED 진동의 양-에너지 절반을 실제 광자로 해방시켜 블랙홀을 둘러싼 극한 중력 우물을 타고 올라가 무한대로 탈출하면서 중력적으로 극도로 적색 이동하게 됩니다.완전 적색편이 광자의 최대 방출 파장은 질량에 관계없이 회전하지 않는 블랙홀을 둘러싼 사건 지평선 지름의 약 10배입니다.M☉ 사건의 지평선 지름이 40.0 킬로미터인 비회전 블랙홀은 가장 일반적인 광자의 파장이 403 킬로미터인 호킹 복사를 방출합니다.
마지막으로, 중력과 시공간이 블랙홀 근처에서 매우 동요되어 호킹 복사를 설명하는 수학조차도 다른 방식으로 볼 수 있다는 것을 명심해야 합니다.예를 들어, 음의 에너지 입자가 순방향 시간에 지평선을 통과하는 대신, 호킹이 그의 논문에서 썼듯이, 그것들은 "과거 방향의 세계선에서 지평선을 가로지르는 양의 에너지 입자"로 생각될 수 있습니다.앞서 언급했듯이, 호킹 박사는 "열 방출과 면적 감소에 책임이 있는 메커니즘은 발견주의일 뿐이며 너무 문자적으로 받아들여져서는 안 된다"고 경고했습니다.호킹 복사가 고도로 가속되는 시공간 영역을 관측하는 정지한 사람의 산물이라는 기본적인 전제조차도 열복사가 가속하는 관찰자를 둘러싸고 있다고 예측하는 일반 상대성 이론인 언루 효과로 역으로 알려져 있습니다.ScienceClic English의도움이 되는 유튜브 영상인 "호킹 방사선"은 가상 입자인 호킹 방사선에 대한 매우 시각적이고 상세한 설명과 이러한 현상을 바라보는 방법이 어떻게 다른지를 제공합니다.
^A 2.7M 블랙홀(또는 퍼즈볼)은 극중력 우물 밖으로 올라갔고 광자당 1.234×10 줄의 에너지인 7.719×10 전자볼트의 에너지를 가지고 있기 때문에 매우 중력적으로 적색 이동된 피크 emission 광자를 방출합니다.이러한 블랙홀이 1.235×10와트의−29 전력으로 방사되면 초당 10개의 양자 패킷(광자)을 방출하게 됩니다.하지만 이 속도는 복사 에너지가 광자로만 구성되어 있다고 가정합니다.호킹 박사는 블랙홀이 광자뿐만 아니라 중력자, 중성미자, 그리고 다른 "질량 없는 페르미온"도 방출할 것이라고 예측했습니다.그러나 호킹 박사는 2001년 중성미자가 "맛"을 바꾼다는 논문을 발견하기 훨씬 전인 1975년에 제출했습니다. 그래서 그는 중성미자(페르미온)가 질량이 없다고 잘못 생각했습니다.따라서 중력자는 검출할 수 없는 가상의 실체이며, 중성미자는 작지만 아직 결정되지 않은 질량을 가지고 있으며 거의 검출할 수 없으며, 알려진 유일한 질량 없는 페르미온은 웨일 페르미온으로 2015년 합성 결정 내부에서 처음 발견된 신흥 준입자입니다.따라서 초당 10개의 광자는 방출 속도의 상한이며 쉽게 탐지할 수 있는 유일한 방사 에너지 양자입니다.
^2.7의 경우M☉ 초당 10개의 광자를 방출하고 100광년 떨어진 블랙홀(가장 가까운 블랙홀보다 더 가까운)에서 광자가 100광년을 여행할 때까지, 그들은 1.125×1037 제곱미터 또는 8.82×1022 지구-실루엣의 가상의 구에 방출될 것입니다.사람들이 279,000년 동안 (대략 호모 사피엔스가 존재하는 한) 계속해서 지켜보았다 하더라도, 그 광자들 중 하나가 지구 어딘가에 충돌할 확률은 10억분의 1입니다.
^"AdS/CFT 이중성과 블랙홀 정보 역설, SD"; Mathur and Oleg Lunin, Nuclear Physics B, 623, (2002), pp. 342-394 (arxiv); 그리고 지평선이 확장된 시스템에 대한 베켄슈타인 엔트로피의 통계적 해석, SD Mathur and Oleg Lunin, Physical Review Letters, 88 (2002) (arxiv).
^Steven Weinberg (April 20, 2011). Dreams of a Final Theory: The Scientist's Search for the Ultimate Laws of Nature. Knopf Doubleday Publishing Group. ISBN978-0-307-78786-6.
