털없음 정리
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1. 개요
털없음 정리는 블랙홀에 대한 이론으로, 블랙홀은 질량, 각운동량, 전하의 세 가지 특성만 가질 수 있다는 가설이다. 털없음 정리는 4차원 시공간에서 일반 상대성 이론을 따르는 블랙홀에 대해 처음 제시되었으며, 우주 상수가 양수인 경우로 확장되었다. 털없음 정리의 예외는 고차원 시공간, 비가환 게이지 이론, 비최소 결합된 스칼라장 등에서 나타날 수 있지만, 블랙홀의 세 가지 특성만 남는다는 기본적인 '정신'은 유지되는 것으로 여겨진다. 2015년 중력파 관측 결과는 털없음 정리와 일치하는 실험적 증거를 제공했으며, 최근에는 블랙홀이 "소프트 헤어"를 가질 수 있다는 연구도 진행되고 있다.
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중력 붕괴는 천문학에서는 항성이, 지질학에서는 산체나 사면 등이 자신의 중력을 이기지 못하고 붕괴하는 현상을 의미한다.
털없음 정리 | |
---|---|
개요 | |
이름 | 털없음 정리 |
로마자 표기 | Teoleop Noeopsseum |
설명 | 블랙홀의 특성은 질량, 전하, 각운동량의 세 가지 보존량만으로 완전히 결정된다는 정리이다. |
상세 내용 | |
내용 | 일반 상대성 이론에서 블랙홀은 질량, 전하, 각운동량의 세 가지 외부에서 관측 가능한 매개변수로만 특징지을 수 있으며, 다른 정보("털")는 모두 블랙홀 사건의 지평선 뒤에서 사라진다는 정리이다. 즉, 같은 질량, 전하, 각운동량을 가진 모든 블랙홀은 구별할 수 없다. |
수학적 표현 | 블랙홀 해는 세 가지 매개변수(M, Q, J)로 완전히 설명된다. 여기서 M은 질량, Q는 전하, J는 각운동량을 나타낸다. |
의미 | 이 정리는 블랙홀이 복잡한 내부 구조를 가질 수 있지만, 외부에서는 몇 가지 기본적인 속성만으로 완전히 기술될 수 있음을 의미한다. 이는 블랙홀 연구를 단순화하고 일반 상대성 이론의 예측력을 높이는 데 기여한다. |
역사 | 1960년대에 베르너 이스라엘, 브랜든 카터, 데이비드 로빈슨 등에 의해 처음 제안되었고, 이후 여러 물리학자들에 의해 증명되었다. |
관련 개념 | |
관련 개념 | 블랙홀 열역학 사건의 지평선 특이점 |
참고 | |
참고 | 이 정리는 블랙홀이 실제로 "털"이 없을 수 있다는 것을 의미하는 것이 아니라, 외부 관측자가 접근할 수 있는 정보가 제한적이라는 것을 의미한다. 이 정리는 일반 상대성 이론의 틀 내에서 성립하며, 양자 효과를 고려하면 블랙홀이 "털"을 가질 수 있다는 주장도 존재한다. |
2. 털없음 정리의 상세
모든 고립된 불안정한 블랙홀은 빠르게 안정적인 블랙홀로 붕괴한다. 안정적인 블랙홀은 특정 시점에서 11개의 숫자로 기술될 수 있다. 이 숫자들은 중력장과 전자기장을 통해 먼 거리에서도 결정 가능한 보존 속성을 나타낸다. 기준틀을 변경하면 선형 운동량과 위치를 0으로, 스핀 각운동량을 양의 ''z''축을 따라 정렬할 수 있다. 이를 통해 11개의 숫자 중 8개가 제거되고, 질량, 각운동량 크기, 전하의 세 가지만 남게 된다. 따라서 상당 기간 고립된 모든 블랙홀은 적절하게 선택된 기준틀에서 커-뉴먼 계량으로 설명될 수 있다.
사건의 지평선 바깥의 관찰자에게 동일한 질량, 전하, 각운동량을 가진 두 블랙홀은, 하나가 일반 물질로 생성되었든 반물질로 생성되었든 완전히 구별 불가능하다. 입자 물리학에서 다루는 가짜 전하(바리온 수, 렙톤 수 등 블랙홀을 생성한 물질의 기원적 질량에 따라 달라질 수 있는)는 블랙홀 내에서 보존되지 않거나, 보존되더라도 외부에서 그 값을 관찰할 수 없다.
2. 1. 기준틀 변경
모든 고립된 불안정한 블랙홀은 빠르게 안정적인 블랙홀로 붕괴한다. 안정적인 블랙홀은 특정 시점에서 11개의 숫자로 기술될 수 있다. 이 숫자들은 중력장과 전자기장을 통해 먼 거리에서도 결정 가능한 보존 속성을 나타낸다. 기준틀을 변경하면 선형 운동량과 위치를 0으로, 스핀 각운동량을 양의 ''z''축을 따라 정렬할 수 있다. 이를 통해 11개의 숫자 중 8개가 제거되고, 질량, 각운동량 크기, 전하의 세 가지만 남게 된다. 따라서 상당 기간 고립된 모든 블랙홀은 적절하게 선택된 기준틀에서 커-뉴먼 계량으로 설명될 수 있다.2. 2. 예시
동일한 질량, 전하, 각운동량을 가진 두 블랙홀을 가정했을 때, 하나는 일반 물질, 다른 하나는 반물질로 생성되었다면, 사건의 지평선 바깥의 관찰자에게는 이 둘이 완전히 구별 불가능하다. 입자 물리학에서 다루는 가짜 전하(블랙홀을 생성한 물질의 기원적 질량에 따라 달라질 수 있는 바리온 수, 렙톤 수 등)는 블랙홀 내에서 보존되지 않거나, 보존되더라도 외부에서 그 값을 관찰할 수 없다.3. 털없음 정리의 확장
털없음 정리는 4차원 시공간 내의 블랙홀에 대해 최초로 공식화되었으며, 일반 상대성 이론의 아인슈타인 장 방정식을 따르고, 우주 상수는 0이며, 전자기장이 존재하거나, 선택적으로 스칼라장 및 질량이 있는 벡터장(Proca장 등)과 같은 다른 장이 존재한다.
이후, 우주 상수가 양수인 경우(최근 관측 결과가 이를 지지하는 경향이 있음)를 포함하도록 확장되었다.[6]
일부 이론에서 예측한 대로 자기 홀극이 감지될 경우, 고전적인 블랙홀이 갖는 네 번째 매개변수가 될 것이다.
4. 반례
털없음 정리의 반례는 4차원 이상의 시공간에서 알려져 있으며, 비가환 양-밀스장이 존재하거나, 비가환 프로카장, 일부 비최소 결합된 스칼라장, 또는 스커미온이 존재할 때, 혹은 아인슈타인 일반 상대성 이론 이외의 중력 이론에서 발생한다. 그러나 이러한 예외들은 종종 불안정한 해이거나 보존되는 양자수를 생성하지 않으므로 "털없음 정리의 '정신'은 유지되는 것으로 보인다."[7] "털이 있는" 블랙홀은 털이 없는 블랙홀과 솔리톤의 결합 상태로 간주될 수 있다는 제안이 있었다.
2004년에는 최소 결합된 자체 상호작용 스칼라장을 가진 (3+1)차원 구형 대칭 블랙홀의 정확한 해석적 해가 도출되었다.[8]
5. 관측 결과
2015년 최초의 중력파 관측 결과는 털없음 정리의 유일성에 부합하는 실험적 증거를 제공한다.[9][10] 이 관측은 1970년대에 스티븐 호킹이 수행한 블랙홀에 대한 이론적 연구와 일치한다.[11][12]
6. 소프트 헤어 (Soft hair)
사샤 하코, 스티븐 호킹, 맬컴 페리, 앤드루 스트로밍거의 연구에 따르면 블랙홀이 "소프트 헤어"를 포함할 수 있으며, 이로 인해 블랙홀은 이전에 생각했던 것보다 더 많은 자유도를 갖게 된다고 가정한다.[13] 이 헤어는 매우 낮은 에너지 상태로 퍼져나가 이전에 털없음 정리(no-hair theorem)를 가정한 계산에서는 나타나지 않았다.[14] 이것은 호킹의 마지막 논문의 주제였으며, 사후에 출판되었다.[15][16]
참조
[1]
웹사이트
Interview with John Wheeler 2/3
https://www.youtube.[...]
[2]
웹사이트
Transcript: John Wheeler – Feynman and Jacob Bekenstein
https://www.webofsto[...]
Web of Stories
[3]
논문
Event Horizons in Static Vacuum Space-Times
1967
[4]
논문
Event horizons in static electrovac space-times
http://projecteuclid[...]
1968
[5]
논문
Axisymmetric Black Hole Has Only Two Degrees of Freedom
1971
[6]
논문
No hair theorems for positive Λ
2007
[7]
arXiv
Eluding the No-Hair Conjecture for Black Holes
1996
[8]
논문
Coexistence of Black Holes and a Long-Range Scalar Field in Cosmology
2005
[9]
뉴스
Gravitational waves from black holes detected
https://www.bbc.co.u[...]
2016-02-11
[10]
논문
Viewpoint: Relativity Gets Thorough Vetting from LIGO
https://physics.aps.[...]
2016-05-31
[11]
Facebook
Stephen Hawking
https://www.facebook[...]
[12]
뉴스
Stephen Hawking celebrates gravitational wave discovery
https://www.bbc.com/[...]
[13]
논문
Soft Hair on Black Holes
https://link.aps.org[...]
2016-06-06
[14]
논문
Viewpoint: Black Holes Have Soft Quantum Hair
https://physics.aps.[...]
2016-06-06
[15]
논문
Black Hole Entropy and Soft Hair
[16]
웹사이트
Stephen Hawking's final scientific paper released
http://www.theguardi[...]
2018-10-10
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