블랙홀 열역학의 새로운 측면들에 대해New Aspects of Black Hole Thermodynamics
초록1. "IR-modified Horava gravity 에서의 4차원 검은막 (black membrane)" 에 대한 연구: 재규격화 가능한 이론으로 제안된 Horava gravity에 존재하는 free parameter 중에서 maximally symmetric 한 4차 black membrane 을 기술하는 k,ω,Λω 의 3개의 parameter 의 가능한 모든 경우들에 대해서 curvature singularity 가 naked 하지 않은 모든 경우들을 조사하여 우리 우주에서 cosmic censorship (우주검열)을 만족하는 모든 해들을 분류하였다. 특히 흥미로운 것은 k,ω,Λω parameter 에 구간에 따라서 보통의 일반상대론 이론에서의 블랙홀(black hole), 검은막(black membrane) 에서 나타나는 원점에서의 curvature singularity 외에도 유한한 반경에서의 "surface" curvature singularity 가 나오게 되지만 이 두 경우 모두 singular 한 정도가 일반 상대론 결과보다는 더 약화된 것을 알 수 있었다. 그리고 일반 상대론에서는 이런 singularity를 피할 수 있는 블랙홀, 검은막 해가 존재하지 않은 경우에도 Horava 중력에서는 가능해지는 새로운 블랙홀, 검은막 해가 존재함을 알 수 있었다. 2. "Wormhole from black Holes" 에 대한 연구: 새로운 웜홀(wormhole)해의 중요한 특성만을 부각시키기 위해서 우주상수가 있는 경우의 복잡성은 피하고 우주상수가 없는 asymptotically flat 한 경우로 국한하여 Horava gravity에서 exotic matters 를 인위적으로 도입하지 않고 smooth 한 웜홀해를 얻었다. (이전의 연구에서는 이 해에 대한 정확하지 않은 부분은 바로 잡았다.) 이 해에서는 (양자역학적)블랙홀 내부에 웜홀 입구(throat) 에 해당하는 것이 존재하고 이것이 나중에 블랙홀 바깥으로 나오게 되는 상황 (블랙홀 증발과 같은 과정으로부터)에서 비로서 양방향 여행 가능한(traverible) 웜홀이 형성이 되는 전 과정이 포함되어 있다. 즉 이해는 블랙홀 과 웜홀간의 변환을 예측하는 완전해가 된다. 그런데 어떻게 일반 상대론에서는 블랙홀 안에 웜홀 입구가 없었는데 양자중력에 적당한 Horava gravity 의 블랙홀 안에는 이런 일이 일어나게 될까를 이해하는 과정에서 놀라운 사실을 깨닫게 되었다. 즉, 이런 일은 기본적으로 블랙홀에 양자효과를 고려할 경우 항상 호킹복사(Hawking radiation)를 하게 되는데 이때 블랙홀 안으로 음의 에너지를 가진 입자가 유입이 된다는 사실이고 이것이 왜 (양자역학적)블랙홀 내부에서 웜홀 입구가 형성되는가에 대한 물리적 이유라는 것이다. 예전에는 이런 음의 에너지 입자들이 완전히 소멸되면서 블랙홀의 질량을 단순히 줄여 주는 역할을 하는 것으로 이해를 하였는데 꼭 그럴 필요가 없다는 생각이다. 이렇게 되면 사실 블랙홀은 우리 우주에서 웜홀을 만들어 내는 공장("Black hole as a wormhole factory")이 되게 된다 ! 한편 이런 해석은 최근에 블랙홀의 양자역학과의 논쟁에 대한 하나의 해결책으로써 Maldacena 와 Susskind 가 주장하는 ER=EPR 이라고 하는 것에 대한 물리적 근거이기도 할 것이라는 것이다 (출처: 연구결과 요약문 4p) 발행 정보위치 정보
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블랙홀의 사건 지평선에서 이론적으로 호킹 복사를 증폭해 관측할 수 있는 시스템인 블랙홀 레이저(black hole laser)의 전자기 유사체가 제안됐다. 호킹 복사(Hawking radiation)는 현대 이론 물리학의 두 기둥인 일반 상대성 이론과 양자 역학이 서로 충돌할 때 발생하는 몇 안 되는 가상 관측 가능한 예측 중 하나다. 블랙홀의 사건 지평선에서 양자 역학은 광자 쌍의 생성을 예측한다. 음의 에너지를 가진 광자 중 하나는 블랙홀로 사라진다. 양의 에너지를 가진 다른 하나는 우주로 탈출한다. 이 효과는 블랙홀이 복사를 방출, 온도를 측정 가능하도록 한다. 이는 내부 자유도가 있음을 시사하므로 이론적으로 혁명적일 수 있다. 불행히도 알려진 모든 블랙홀의 온도는 우주 마이크로파 배경의 온도보다 낮고 방출된 방사선은 흡수된 방사선에 의해 가려져 관찰할 수 없다. 그러나 1981년 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 William Unruh는 여러 물리적 시스템이 호킹 복사를 생성하는 시스템과 수학적으로 동일하므로 실험실에서 효과를 연구할 수 있음을 보여주었다. 이러한 유사체 중에는 파동, 광섬유 시스템 및 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensates)이 있다. 미국 다트머스 대학의 이론 물리학자 Miles Blencowe는 “[이러한 유사점은] 양자 중력과 관련된 질문의 핵심에 도달하지 못할 것이다. 하지만 호킹의 계산에는 여전히 중요한 질문이 있다. 어떤 면에서는 이러한 유사체를 양자 시뮬레이터처럼 생각할 수 있다”고 설명했다. 서로 다른 “아날로그 중력(analogue gravity)” 시스템으로 작업하는 그룹은 호킹의 다양한 예측에 대한 첫 번째 증거를 생성하기 위해 경쟁했으며 한 그룹의 주장은 종종 다른 그룹과 논쟁을 벌였다. 일본 히로시마 대학의 카타야마 하루나에 의해 이 아이디어는 보스-아인슈타인 응축을 사용한 유사체의 시연에서 이어지며 양자 역학과 중력 간의 관계에 대한 새로운 통찰력을 제공할 가능성이 있다. 이 장치가 구축되면 양자 컴퓨팅 기술을 발전시킬 수도 있다.  Scientific Reports에 지난달 게재된 새로운 연구에서 Katayama는 캐나다 앨버타 대학의 Steven Corley와 미국 메릴랜드 대학의 Ted Jacobsen이 1999년에 만든 호킹 이론의 가장 눈길을 끄는 예측 중 하나가 초전도 전기 회로에서 테스트될 수 있다고 제안한다. 이 둘은 블랙홀 내부에 “화이트홀”이 있어야 하는 블랙홀 레이저의 작동을 설명했다. 이 화이트홀의 내부 지평선은 블랙홀 지평선 쪽으로 음의 에너지 광자를 반사하고, 블랙홀 지평선에서 빠져나가지 못하고 다시 반사된다. 광자의 에너지는 지평선 사이에서 튀어오를 때 점점 더 음의 값이 되어 우주 공간으로 방출되는 광자의 에너지가 점점 더 양의 값이 되도록 한다. Blencowe는 “이 중 하나가 자연에서 실현될 가능성은 매우 낮지만 아날로그로 생성하는 것은 가능하다”라고 말했다. 실제로, 그러한 최초의 블랙홀 유사체는 2016년 보스-아인슈타인 응축에서 생성됐다. 이 최신 연구에서 Katuyama는 초전도 전류가 양자화되도록 하는 Josephson 효과를 사용하여 메타물질 공진기에서 솔리톤(soliton)이라고 하는 비분산 웨이브 패킷을 생성할 것을 제안한다. 솔리톤 자체는 공명 공동으로 동작하며 솔리톤의 방사선은 솔리톤에서 방출되는 방사선과 양자 역학적으로 얽혀 있다. 이 방출된 복사는 호킹 복사와 유사하다. Katuyama는 “불행히도 현 단계에서는 이 시스템으로 다른 [아날로그] 시스템을 능가하는 제안을 할 수 없었다. 그러나 제안된 초전도 양자소자를 기반으로 진공의 동적 변동인 동적 카시미르 효과가 밝혀졌으며, 이 시스템에서 개발된 광자 검출 기술은 다른 시스템에서는 모방할 수 없는 큰 장점이다. 또한, 나노기술을 기반으로 하는 이 시스템은 제어성이 우수하다. 따라서 회로 매개변수를 제어함으로써 블랙홀을 고전 영역에서 양자 영역으로 가져올 수 있으므로 진공 상태에서 블랙홀과 화이트홀의 양자 쌍 생성을 연구할 수 있다” 말한다. Blencowe는 시스템의 감도가 호킹 복사를 찾는 데 도움이 될 수 있으며, 제안이 실현된다면 호킹 효과의 매우 깨끗한 시연이 될 것이라고 설명했다. 또한 그는 “양자 컴퓨팅은 자원으로 얽힘을 생성하는 것이므로 이러한 종류의 시스템을 통해 생성된 얽힌 마이크로웨이브 광자는 매우 유용할 수 있다”고 제안했다. Related posts: |
블랙홀 음의 에너지 - beullaeghol eum-ui eneoji
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