과학자들이 블랙홀이 일반 물질과 같은 방식으로 열화(thermalize)하는 것을 발견했다.

아나톨리 디마스키(Anatoly Dymarsky) 교수가 이끄는 러시아 모스크바의 스콜테크(Skoltech) 연구팀은 추가 대칭을 갖는 양자 시스템에서 일반화된 열 앙상블의 출현을 연구했다.

연구 결과는 피지컬리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표됐다.

Credit: Skolkovo Institute of Science and Technology.

블랙홀 물리학은 현대 물리학의 어려운 장으로 남아 있다. 양자역학과 일반적인 상대성 이론 사이의 핵심적인 충돌 지점이다. 양자역학에 따르면 블랙홀은 다른 일반적인 양자 시스템처럼 작동해야 한다. 그러나 아인슈타인의 일반 상대성이론 관점에서 이것이 여러가지로 문제가 된다.

블랙홀을 양자 기계적으로 이해하는 문제는 물리적 역설의 지속적인 근원으로 남아 있다. 그러한 역설의 신중한 접근은 양자 중력이 어떻게 작용하는 지에 대한 단서를 제공해야 한다. 이것이 블랙홀 물리학이 이론 물리학의 활발한 연구 대상이 되는 이유다.

특히 중요한 질문 중 하나는 블랙홀의 열화 방법이다. 스콜테크 연구 그룹이 수행한 최근의 연구에 따르면 블랙홀은 일반적인 문제와 다르지 않다. 즉, 평형(equilibrium)의 출현은 종래의 경우와 동일한 메커니즘으로 설명 될 수있다.

블랙홀에 대한 분석 연구는 소위 홀로그래픽 이중성의 이론적 도구가 빠르게 개발돼 가능해졌다. 이 이중성은 특정 유형의 종래 양자 시스템을 특정 경우 양자 중력 시스템에 매핑한다. 열화 역학과의 유사성을 확장하기 위해 추가 작업이 필요하지만, 이 작업은 일반적인 블랙홀 및 양자 중력의 중요한 측면이 일반적인 양자 다체 시스템 집단 역학 측면에서 설명 될 수 있다는 패러다임을 추가로 지원한다.

또한 이 작업은 기존의 다체 양자 시스템의 열화 방식에 대한 새로운 시각을 제공한다. 분리된 양자역학 시스템은 평형 통계역학에 의해 정확하게 기술될 수 있다는 것이 널리 인정되고있다. 이러한 설명을 제공하는 정확한 수학적 설명을 고유상태 열화 가설(Eigenstate Thermalization Hypothesis, ETH)라 한다. 그럼에도 불구하고 이 가설에 대한 증거는 부족했다.

논문 저자들은 이 차이를 부분적으로 메울 것이라고 주장한다.

스콜테크 에너지 과학기술 센터 아나톨리 디마스키 교수는 “우리가 아는 한, 우리의 연구는 공간적으로 확장된 시스템에서 ETH에 대한 최초의 분석 증거로 관련 주제에 대한 이전 모든 연구(예외는 거의 없음)는 산술적”이라며 “우리 논문의 개념적이고 기술적인 참신함은 폭넓은 관심사”라고 말했다.

*고유 상태 열화 가설(ETH)

고립된 양자역학 시스템이 평형 통계역학을 사용해 정확하게 설명될 수 있는시기와 이유를 설명하기위한 일련의 아이디어다. 특히, 처음부터 평형 상태에서 준비된 시스템이 시간에 따라 열평형 상태에있는 상태로 어떻게 진화 할 수 있는지 이해하는 데 전념한다. ‘고유 상태 열화’라는 문구는 1994년에 마크 스래드니키(Mark Srednicki)가 처음으로 만들어 냈다. 고유 상태 열화 가설의 기본 원리는 고전 역학에서와 같이 역동적 혼돈의 메커니즘을 통해 열역학적 시스템의 ‘ergodicity’를 설명하는 대신 개별 에너지 고유 상태에서 관측 가능한 양의 매트릭스 요소의 특성을 조사해야한다는 것이다.