Note on the Pure State of Old Black Holes in Some Models of Asymptotically Flat Quantum Gravity

블랙홀은 단순히 그 무시무시한 중력 때문만이 아니라, 우주가 작동하는 방식의 핵심에 자리 잡은 깊은 모순 때문에 오랫동안 물리학자들의 상상력을 자극해 왔습니다. 한쪽에는 중력을 시공간의 매끄러운 굴곡으로 설명하는 일반 상대성 이론이 서 있습니다. 다른 한쪽에는 정보는 결코 진정으로 사라질 수 없다고 주장하는 원자 및 입자의 미세한 세계를 다루는 규칙인 양자 역학이 있습니다. 블랙홀이 형성되고 결국 증발할 때, 이 두 이론은 충돌하는 것처럼 보입니다. 만약 블랙홀이 물질을 삼킨 뒤 사라진다면, 그 물질에 대한 정보는 어떻게 되는 것일까요? 그것은 사라져서 양자 역학의 법칙을 깨뜨리는 것일까요, 아니면 블랙홀의 바로 가장자리에서 시공간의 매끄러운 구조를 파괴하는 방식으로 탈출하는 것일까요? 사건의 지평선(event horizon)이라 알려진 이 가장자리는 격렬한 논쟁의 무대가 되었습니다. 어떤 물리학자들은 지평선이 관찰자가 아무런 이상함을 느끼지 못하는 평온한 장소라고 주장합니다. 반면, 정보 퍼즐에 직면한 다른 이들은 무엇이든 경계를 넘으려는 것을 태워버리는 뜨거운 에너지 벽인 '방화벽(firewall)'을 제안하기도 했습니다. 이 질문은 단지 블랙홀에 관한 것만이 아닙니다. 그것은 공간이 매끄러운 에너지 장으로 채워져 있다는 우리의 현재 이해, 즉 현실에 대한 인식이 실제로 옳은지에 관한 것입니다.

최 recent 논문에서, 이론 물리학자 톰 뱅크스(Tom Banks)는 곡률이 있는 공간에서의 복잡한 수학에서 벗어나 더 단순하고 근본적인 모델의 렌즈를 통해 블랙홀을 조사함으로써 이 문제를 엄격하게 검토합니다. 그는 중력이 그 자체로 근본적인 힘이 아니라 양자 입자의 거동으로부터 창발하는 두 가지 특정 프레임워크를 조사합니다. 한 모델은 2차원에서의 끈 이론의 변형이며, 다른 하나는 11차원 초중력 이론에서 온 것입니다. 두 경우 모두 연구자들은 블랙홀에서 시작하여 이를 방정식에 맞추려 하지 않습니다. 대신, 그들은 평범한 양자 역학의 도구를 사용하여 입자들의 집합을 블랙홀과 똑같이 행동하는 안정적인 고에너지 상태로 조립함으로써, 밑바닥부터 블랙홀을 구축합니다. 이러한 상태는 신비로운 표면을 가진 매끄럽고 텅 빈 빈 공간이 아닙니다. 그것들은 마치 스스로의 상호작용에 의해 결합된 빽빽한 입자 클러스터와 같이, 복잡하고 혼돈스러운 결합 상태입니다.

뱅크스가 이렇게 구축된 블랙홀을 분석할 때, 그는 그 유명한 '방화벽' 역설이 단순히 존재하지 않는다는 것을 발견합니다. 혼란은 물리학자들이 공간이 매끄럽고 연속적인 장으로 채워져 있다고 가정하는 양자 장론의 언어를 사용하여 이 물체들의 내부를 설명하려고 시도했기 때문에 발생합니다. 뱅크스가 연구하는 모델에서 블랙홀을 구성하는 입자들은 지평선 근처에 매끄러운 장으로 퍼져 있는 것이 아니라, 하나의 거대하고 단일한 양자 객체의 불연속적인 구성 요소들입니다. 블랙홀이 증발할 때, 그것은 신비로운 표면에서 입자를 방출하는 방식이 아니라, 마치 웅덩이에서 물방울이 증발하듯 자신의 개별적인 조각들을 천천히 방출하며 증발합니다. 방출된 입자들은 남겨진 클러스터와 얽혀 있는데, 이는 그들의 양자 상태가 연결되어 있음을 의미하지만, 이 연결은 클러스터가 진화함에 따라 매우 빠르고 혼란스럽게 변합니다.

이 논문은 '방화벽'이라는 개념이 잘못된 종류의 수학을 바라봄으로써 생긴 오해라고 주장합니다. 이 모델들에서 블랙홀의 가장자리에서 물리 법칙의 갑작스럽고 격렬한 단절은 일어나지 않습니다. 대신, 블랙홀에서 외부 세계로의 전이는 관점의 문제입니다. 멀리 떨어진 관찰자에게 블랙홀은 열을 방출하는 열적 객체로 보입니다. 복잡한 양자 시스템 내부의 관찰자에게 그것은 그저 혼돈스러운 춤을 추는 입자들의 집합일 뿐입니다. '지평선'은 시공간이 찢어지는 물리적 장벽이 아닙니다. 그것은 단지 시스템의 묘사가 결합된 입자들의 집합에서 자유롭게 움직이는 복사로 전환되는 경계일 뿐입니다. 복사와 남겨진 블랙홀 사이의 얽힘은 실재하지만, 그것은 역설을 초래하는 정적이고 무한한 연결이 아닙니다. 그것은 시스템이 정보를 스크램블링(scramble)함에 따라 사라지는 역동적이고 덧없는 연결입니다.

뱅크스는 매끄러운 사건의 지평선과 그에 따른 에너지 발산을 가진 표준적인 블랙홀의 모습이, 문제에 잘못된 도구를 적용함으로써 만들어진 환상이라고 결론짓습니다. 그가 연구하는 모델들은 블랙홀이 아인슈타인의 방정식이 예측하는 것과 동일한 크기, 에너지, 엔트로피를 갖는 복잡한 양자 상태일 뿐임을 보여줍니다. 블랙홀은 물리 법칙이 붕괴하는 특별하고 특이한 표면을 가지고 있지 않습니다. 따라서 정보 역설의 해결책은 방화벽이나 정보를 구하기 위한 새로운 메커니즘을 발명하는 것이 아니라, 블랙홀 근처의 공간에 대한 양자 장론적 묘사가 근본적으로 틀렸음을 받아들이는 것입니다. 우주는 블랙홀 문제에 대해 극적이고 격렬한 해결책을 필요로 하지 않습니다. 단지 우리가 한 번도 들여다볼 수 없었던 곳에서 공간이 매끄럽고 연속적이라고 가정하는 것을 멈추기만을 요구할 뿐입니다. 블랙홀은 비밀을 간직한 괴물도, 숨겨진 함정이 있는 퍼즐도 아닙니다. 그것은 그 가장자리에서 어떤 기이한 새로운 물리학을 필요로 하지 않고, 양자 역학이 요구하는 대로 정확하게 행동하는 복잡하고 진화하는 시스템입니다.