죽은 별은 복사를 하지 않음

 (johncarlosbaez.wordpress.com)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • 블랙홀이 아닌 무거운 물체도 호킹 복사(Hawking radiation) 를 낸다는 새 주장은, 정적인 죽은 별이 질량을 잃고 사라진다는 결론으로 이어져 기존 곡률 시공간 양자장론과 충돌함
  • 이 논리는 중력장이 입자-반입자 쌍을 만들고 복사가 에너지를 가져간다는 구조지만, 별을 이루는 양성자와 중성자가 어떤 과정으로 사라지는지는 비어 있음
  • 반박 논문들은 계산이 조잡한 근사에 의존해 더 단순한 문제에서도 틀린 결과를 낸다고 봤고, 1975년 Ashtekar와 Magnon의 결과는 정적 시공간의 진공 안정성을 보임
  • 모든 곳에서 시간꼴인 Killing field가 있으면 시간 병진 대칭이 성립하고, 이 조건에서는 입자와 반입자를 구분하는 양자장론 구성이 가능해 자발적 입자 생성이 일어나지 않음
  • Schwarzschild 블랙홀은 사건의 지평선에서 Killing field가 시간꼴이 아니게 되므로 같은 논리를 적용할 수 없으며, 죽은 별 복사 주장은 수십 년 전 정리된 문제를 더 약한 근사로 뒤집으려는 시도에 가까움

논쟁의 출발점: 블랙홀이 아닌 물체의 호킹 복사

  • Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom, Heino Falcke는 Gravitational pair production and black hole evaporation에서 블랙홀이 아닌 무거운 물질 덩어리도 호킹 복사를 낸다고 봄
  • 이어 새 논문에서는 차갑게 죽은 별도 호킹 복사를 내며, 질량을 천천히 잃고 결국 사라질 수 있다고 주장함
  • 이 결론이 성립하려면 별 안의 양성자와 중성자가 어떻게 사라지는지 설명해야 하므로 바리온 수 보존과 충돌함
    • 해당 저자들은 바리온 보존 위반 가능성을 인정하지만, 어떤 과정으로 그런 일이 일어나는지는 제시하지 않음
    • 남는 구조는 별의 중력장이 입자-반입자 쌍을 만들고, 그 쌍이 복사로 빠져나가며, 에너지 보존 때문에 별이 질량을 잃어야 한다는 흐름임

기존 물리학과 충돌하는 지점

  • 이 주장이 맞다면 곡률 시공간의 양자장론에서 정적인 물질 덩어리가 호킹 복사를 내지 않는다는 기존 계산을 뒤집게 됨
  • 동시에 곡률 시공간의 양자장론이 일관되려면 바리온 수 보존이 실패해야 한다는 결론으로 이어짐
  • 그러나 이 논문들은 물리학계에 거의 영향을 주지 못했고, 짧은 반박 논문도 나옴

정적 시공간의 진공 안정성

  • Abhay Ashtekar와 Anne Magnon의 1975년 논문 Quantum fields in curved space-times는 정적 시공간에서 진공 상태를 잘 정의할 수 있고, 그 진공이 안정적임을 보임
  • 핵심 문장은 다음과 같음
    • “기저 시공간이 모든 곳에서 시간꼴인 Killing field를 허용하면, 진공 상태는 실제로 안정적이며 자발적 입자 생성 같은 현상은 일어나지 않는다”
  • 모든 곳에서 시간꼴인 Killing field가 있다는 말은 시공간에 시간 병진 대칭이 있다는 뜻임
  • Ashtekar와 Magnon은 추가로 다음 조건을 둠
    • 시공간이 전역 쌍곡적(globally hyperbolic)임
    • 질량을 가진 스핀 0 입자의 파동방정식이 매끄러운 초기 데이터에서 매끄러운 해를 가짐
  • 이런 조건에서는 에너지를 정의할 수 있고, 해를 양의 주파수 해와 음의 주파수 해로 나눌 수 있음
    • 양의 주파수 해는 입자에 대응함
    • 음의 주파수 해는 반입자에 대응함
    • 그 결과 Minkowski 시공간에서처럼 붕괴하지 않는 진공을 가진 양자장론 구성이 가능함

블랙홀에는 같은 결과가 그대로 적용되지 않음

  • 정적 블랙홀을 기술하는 Schwarzschild solution에도 Killing field가 있음
  • 하지만 이 Killing field는 사건의 지평선에서 더 이상 시간꼴이 아니므로, Ashtekar와 Magnon의 결과가 블랙홀에는 적용되지 않음
  • 더 교육적인 설명은 Robert Wald의 _Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics_에서 볼 수 있음
    • 특히 4.3절은 stationary spacetimes에서의 양자장론을 다룸
  • Valeria Michelle Carrión Álvarez의 박사학위논문 Loop Quantization versus Fock Quantization of p-Form Electromagnetism on Static Spacetimes는 전자기학의 경우를 다룸
    • Ashtekar와 Magnon, Wald는 단순화를 위해 주로 질량 있는 스칼라장에 초점을 둠

과학 보도와 논문 심사의 한계

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 물론 그 말을 한 건 Gandalf였음. 반박하려 하기 전에, Gandalf는 시공간 연속성 같은 사소한 것에 신경 쓸 필요가 없는 마법사라는 점을 짚고 싶음
    P.S.: https://quoteinvestigator.com/2014/07/13/truth/
    결론적으로 거짓과 진실의 전파 속도를 대비하는 표현군은 300년 넘게 진화해 왔고, Jonathan Swift가 1710년에 쓴 문장은 정당하게 그에게 돌릴 수 있음. 다만 그 문장에는 아직 신발 비유가 나오지 않음

  • 탈출 속도가 빛의 속도를 넘는 중력 우물이 없다면, 이 시나리오에서 Hawking 복사가 어떻게 일어난다고 보는 건지 모르겠음
    가상 입자-반입자 둘 다 살아남았다가, 하나가 사건의 지평선을 넘은 것도 아니니 곧 사라질 텐데

    • “쌍 중 하나가 사건의 지평선에서 탈출하지 못한다”는 설명은 실제라고 여겨지는 것의 단순화라는 점을 기억해야 함. 실제로는 사건의 지평선이 있는 상황에서 입자나 장이 산란하는 문제에 가까움
      아는 한 이를 정확하면서도 직관적·비수학적으로 설명하는 방법은 없어서, 과학 커뮤니케이터들이 청중을 오도할 수 있는 방식으로 근사해서 말하곤 함
      Hawking 본인도 “사건의 지평선 바로 바깥에는 음의 에너지를 가진 입자와 양의 에너지를 가진 입자로 된 가상 쌍이 있을 것이라고 그릴 수 있다. 열복사와 면적 감소를 일으키는 메커니즘에 대한 이런 그림은 휴리스틱일 뿐이며 너무 문자 그대로 받아들여서는 안 된다”고 말했음
    • 그건 Hawking 복사가 작동하는 방식에 대한 큰 선의의 거짓말임. 근사조차 아니고, 아마 과학 기자들을 만족시키려고 Hawking이 만든 억지스러운 비유에 가깝다

  • “휘어진 시공간의 양자장론은 바리온 수가 보존되지 않을 때만 일관적일 수 있다”는 게 정말 오늘날에도 충격적인가? 블랙홀의 Hawking 복사에서 논리적으로 따라오는 결론 아닌가 싶었음
    오래전에 이미 충격을 받았고 지금은 받아들인 줄 알았음. 해당 논문 저자들의 계산이 틀렸을 수도 있지만, 이런 문장을 너무 당연한 진실인 듯 던지는 이 블로그 글은 느낌이 좋지 않음. 동의하지 않으면 바보라는 식의 감정적인 글쓰기는 과학적 설득을 직업으로 삼는 사람에게 어울리지 않음
    Wikipedia[0]도 MIT의 양자중력 물리학자 Daniel Harlow를 인용해 “바리온 수 보존은 Hawking 복사를 통한 블랙홀 증발의 물리와 일관되지 않는다”고 씀
    [0] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Baryon_number

    • 더 뭘 바라는지 모르겠음. 여러 논문과 교과서까지 링크되어 있음
      게다가 John Baez임. 자기 분야를 잘 아는 사람임
      실제 쟁점에 대해 말하자면, 여기서 충격적인 이유는 블랙홀이 개입하지 않아도 바리온 수가 보존되지 않는다고 주장하기 때문임
    • 아마 읽고 싶은 건 John Carlos Baez가 인용한 출처[0] 쪽일 것 같음
      “Comment on ‘Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation’”에서 Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas, Silvia Pla는 해당 논문이 쓴 방정식을 다루며 그 방정식을 쓰는 것보다 나은 방법을 제시함
      “섭동 전개의 최저차에서 얻어진 반면, 약한 장 근사를 사용해 비섭동적인 Schwinger 효과를 얻는 표준 방식은 모든 항을 재합산하는 것”이라고 설명함
      또 비판 대상 논문의 방식은 전자기적 상황에서 생기는 경우도 제대로 처리하지 못하고, 중력의 경우는 더더욱 어렵다고 함. Baez가 한 말과 같은 내용이지만, 인용 논문은 훨씬 더 전문적인 어조와 방법으로 제시함
      https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.13...
    • 더 나아가 양성자 붕괴를 측정하려는 실험들도 있음. 양성자 붕괴가 일어나면 바리온 수 보존이 깨지는 셈임. 이 실험들은 블랙홀에서 멀리 떨어진 지구에서 수행됨
      지금까지는 모두 붕괴를 찾지 못했고, 결론은 양성자의 반감기가 적어도 2.4E34년이라는 것임. https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay#Experimental_evid...
      Quanta Magazine의 오래된 글도 하나 봤는데, 매우 순수한 물로 된 거대한 수조와 많은 검출기를 쓰는 실험을 설명함. 블랙홀은 필요 없음. https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-u... (HN 토론 https://news.ycombinator.com/item?id=13201065)
    • 또한 표준모형도 비섭동적으로는 바리온 수 비보존을 허용함
    • “바리온 수 보존은 Hawking 복사를 통한 블랙홀 증발의 물리와 일관되지 않는다”는 말과 별개로, 이런 양자수를 보존할 수 있는 다른 블랙홀 모형도 있음
      너무 당연해서 동의 안 하면 바보라는 식의 말과 관련해, 너무 명백히 거짓이라 동의하면 바보가 되는 주장들도 있음. 사람들은 Penrose가 내놓은 헛소리를 계속 반복하는데, 그건 작동하려면 물리적이지 않은 시간꼴 무한대가 필요함
      현재의 대중과학, 거의 과학소설 같은 설명은 블랙홀로 떨어질 수 있고 사건의 지평선에서는 “아무 일도 특별히 일어나지 않는다”는 것임. 그러면서 바로 다음 문단쯤에는 외부 관찰자는 희생자가 떨어지는 것을 결코 관측하지 못한다고 함
      두 관찰자가 그런 문제에서 서로 다른 결론을 낼 수는 없음. 그렇게 말하려면 우주가 언제인가 갈라져 두 관찰자가 서로 불일치할 수 있다고 믿거나, 논리·일관성·관찰자·물리학자로서 소중히 여기는 모든 것을 포기해야 함
      외부 관찰자가 희생자가 떨어지는 것을 관측하지 못한다면, 희생자는 결코 떨어지지 않음. 그게 객관적 현실임. Penrose 도표가 다르게 말하는 건 물리적이지 않은 무한대의 시간을 포함하기 때문임
      무한대의 시간이 “도달 가능”하다고 해도 수학적으로도 건전하지 않고 물리적으로도 말이 안 되며, 어차피 Hawking 복사가 있으니 중요하지 않음. 블랙홀의 수명은 유한함
      논리적으로 일관되고 물리적으로 건전한 해석은 하나뿐임. 아무것도 실제로 떨어져 들어갈 수 없음. 들어오는 물체는 외부 기준으로 느려지고, 그 물체 관점에서는 블랙홀에 가까워질수록 블랙홀의 시간 흐름이 빨라져 보임. 따라서 Hawking 증발도 빨라져 보임. 외부 관찰자와의 일관성을 유지하려면 이 증발은 희생자가 어떤 표면에도 도달하지 못할 만큼 빨라야 함. 대신 블랙홀이 그들로부터 물러나며 점점 더 빠르게 증발함
      이런 모형과 유사한 모형들은 방화벽도, 경계도, 양자장을 “초기화”할 무언가도 없기 때문에 모든 양자수를 보존할 수 있음. 모든 것이 연속적이고 일관적이며 양자수도 보존됨. 외부 관찰자는 지금 기대하는 것과 정확히 같은 블랙홀을 보게 되고, 블랙홀은 같은 모습으로 작동하며 증발함

  • 우주 안에는 아직 우리가 놓치고 있는 무언가가 있고, 앞으로 10억 년의 대통일 이론들도 그걸 놓치고 있을 것 같은 느낌이 듦

  • 당시 HN 토론:
    Universe expected to decay in 10⁷⁸ years, much sooner than previously thought (phys.org) https://news.ycombinator.com/item?id=43961226 223 points, 5 days ago, 323 comments

  • 며칠 전에 여기서 꽤 비슷한 댓글을 썼음
    https://news.ycombinator.com/item?id=43964524
    맞음, 그 논문은 말이 안 됨. 더 할 말도 별로 없음. 프리프린트 서버에는 동료심사를 통과하지 못할 종류의 글도 가끔 올라옴. 2년쯤 전 한국의 “초전도체” 기억나는지. 언론은 이런 걸 쓸 때 조심해야 함

    • 그런데 그 논문은 PRL에까지 실렸음. 비슷한 헛소리를 써서 PRL에 보냈어야 했나 싶음. 경력에는 도움이 됐을지도 모름
    • 그 논문이 말이 되든 안 되든, 비판 글의 이 인용문은 걱정스러움
      “내가 이런 supposedly 충격적인 전개에 대해 기사를 쓰는 과학 기자라면, 전문가 몇 명에게 이메일을 보내 진짜인지 확인했을 것이다”
      그런 태도라면 모두가 지구가 평평하다거나 태양이 지구 주위를 돈다고 믿게 됐을 것임. 당시 전문가들도 둘 다 틀리게 믿었으니까

  • 이 문제가 보여주는 건 원 저자들이 멍청했다기보다는, 지식이 사일로에 많이 갇혀 있다는 점임
    모두의 지식을 발전시키는 게 목표라면 좋은 일이 아님. 학계에서 무슨 일이 벌어지고 있든, 비교적 가까운 관련 분야들 사이에서도 실패하고 있다는 건 좋지 않음

    • 정말 그렇게 사일로화되어 있나? 글에서 언급한 조건, 즉 전역 시간꼴 Killing 장의 존재는 휘어진 시공간의 양자장론 입문서마다 다루고, 관련 Wikipedia 문서[1]의 첫 몇 문단에도 나옴. 여기 적용되지 않는다면 저자들이 왜 그런지 언급했어야 함
      그들이 멍청하거나 악의적이었다고 보지는 않지만, 그렇게 예상 밖의 결과를 밀어붙이면서 자문을 구하지 않은 건 다소 경솔했을 수 있음
      1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory_in_curved...
    • 사일로는 아니었음. 전부 arXiv에 올라와 있으니까
      하지만 세상은 복잡하고 자기 핵심 분야 밖에서는 실수하기 쉬움. 과학적 절차의 목적은 실수를 발견할 눈앞에 결과를 놓는 것임. 링크된 블로그 글이 그 예임. 그러면 모두가 싸우거나 비웃거나 하면서 세상은 계속 굴러감. 이 시스템은 작동했음
      이 절차가 잘 못하는 건, 사람들이 새 아이디어를 뉴스 헤드라인으로 만들기 전에 걸러내는 일임. 그건 확실히 별로지만, 학계의 실패는 전혀 아님. 눈들은 제대로 작동했음
    • 또 다른 측면은 원 저자들과 대중과학 기자들이 어디서 틀렸는지, 자기 주장이 얼마나 터무니없는지 이해하지 못하는 것처럼 보인다는 점임. 정확히 그들의 일이 이해하지 않는 데 달려 있기 때문임
      바로잡을 수도 있었음. 2년 뒤에도 여전히 같은 배수구를 빙빙 돌지 않을 수도 있었지만, 지금도 그러고 있음. 꽤 전형적이고 꽤 지루함
    • 지식이 사일로에 갇혔다기보다는, 결국 목표가 공개 출판이고 그것도 가능한 한 공개적으로 출판하는 것이기 때문에 조금 다르게 보임. 오히려 모두가 프리프린트 공개 직전까지 자기 패를 너무 꼭 쥐고 있는 느낌임
      그러면 누군가 몇 달, 몇 년 전에 “여기 문제 있다”고 말해줄 수 있었던 일을 혼자 계속 작업하게 됨
      과학판으로 치면 풀 리퀘스트를 올리기 전에 브랜치를 열심히 다듬었는데, “여기 거대한 메모리 누수가 있고, 게다가 원하는 건 다른 API를 쓰면 이미 된다”는 말을 듣는 것과 비슷함
      인간 규모의 해법이 있는지는 잘 모르겠음. 연구 지형이 너무 넓어서 모두를 모두에게 연결하고, 도움이 필요한 모두가 가치 있는 입력을 받게 하며, 도움을 줄 수 있는 모두가 반쯤 익은 쓰레기에 파묻히지 않게 만들 수는 없음. 연구 동기와 인센티브가 위아래 모두 순수하다고 가정해도 마찬가지임. 풀 리퀘스트 비유에서는 CVE 스패머 같은 존재도 있고
      적어도 대학들이 클릭될 만해 보이는 건 무엇이든 실사 없이 보도자료로 내고 싶어 하는 태도를 버리면, 학계 밖으로 공개적인 구경거리가 되는 일은 가끔 줄일 수 있겠지만, 근본 문제까지 해결하지는 못함
    • 이 일이 실제로 보여주는 건 모두가 알지만 여전히 모두가 하는 일임. 사람들은 선정적인 이야기를 퍼뜨리고 토론하길 좋아하고, 재미를 망치는 반대론자는 듣기 싫어함
      HN의 원래 기사 토론[1]을 보면, 아래쪽에 A_D_E_P_T가 논문이 왜 말이 안 되는지 설명하고 이 글에서 언급된 반박 중 하나를 가리키는 댓글이 있음. 그 댓글은 HN 독자들에게 다운보트당했음. 며칠 전 내가 업보트했을 때 이미 회색으로 표시되어 있어서 알 수 있음
      그러니 지식 사일로가 아니라, 우리 같은 평범한 사람들은 최신 돌파구를 너무 깊게 들여다보지 않고 이야기하고 싶을 뿐임. 깊게 보면 재미가 깨지니까
      [1] https://news.ycombinator.com/item?id=43961226

  • 왜 질량이 있는 물체가 중력 복사를 하지 않는지 쉽게 이해할 방법이 있을까? 가속 관찰자는 Unruh 효과라는 것으로 열복사의 바다를 본다고 함
    행성 위에 서 있다면 중력 아래에서 가속 중인 것이고, 그러면 Unruh 복사를 보지 않나? 이것이 Hawking 복사와 관련이 있나?

    • 비전문가지만, 서 있다면 실제로는 가속 중이 아닌 것 아닌가? 아래에서 받쳐주는 것이 없어서 떨어질 때만 가속하는 것 아닐까

  • 이 세부 사항이 눈에 띄었음
    “[1975년 논문에서] Ashtekar와 Magnon도 시공간이 전역적으로 쌍곡적이라고 가정한다”
    현대의 가정은 시공간이 전역적으로 평탄하다는 것 아닌가?

    • 그 용어는 인과 구조를 가리킴: https://en.wikipedia.org/wiki/Globally_hyperbolic_manifold
    • 이걸 배우는 중이라 세부는 흐릿하지만, 이해하기로는 시공간 곡률과 공간 곡률은 다름. 시공간은 쌍곡적이면서도 그 안의 3차원 공간 절편은 평탄할 수 있음
      공간이 평탄하다는 건 가정이 아님. 일반상대성이론은 전역적 공간 곡률을 지정하지 않으므로, 전역적으로 음의 곡률이나 양의 곡률을 가질 가능성도 있음. 다만 지금까지 그런 증거가 없을 뿐임

  • 블랙홀에서는 본질적으로 “차원 하나의 상실”이 있다고 봄. 그게 무슨 뜻인지 설명하려면 훨씬 긴 이야기가 필요해서 여기서는 시도하지 않겠음
    그래서 ‘바리온’이라고 알려진 세 쿼크 배열이 공간 차원의 수에 따라 형성되는 것일 수도 있음. 3차원 == 쿼크 3개라면, 바리온은 3차원에서만 생기고, 물질이 사건의 지평선에 도달하면 쿼크들이 찢겨 재배열되어 단순히 바리온이라는 것이 존재하지 않는 무언가가 될 수 있음. 예컨대 2차원 공간에서처럼
    나는 사건의 지평선의 ‘표면’이 법칙이 보존되는 곳이고, 특이점이나 어쩌면 블랙홀 내부 전체가 아예 존재하지 않을 수도 있다고 생각하는 쪽임
    상대성이론이 시공간을 “깨뜨리는” 많은 지점, 즉 무한대와 0으로 나누기 문제는 차원이 하나 사라진다고 보면 풀릴 수 있음. 예를 들어 길이 수축은 빛의 속도에서 차원 하나를 압축해 없애는 것이고, 시간 지연도 사건의 지평선이나 빛의 속도에서 차원 하나가 제거되는 것임
    홀로그래픽 원리와 비슷하다고 느꼈다면 맞음. 내 관점에서는 Lorentz 방정식 자체도 N차원 공간을 (N-1)차원 공간으로 매끄럽게 변환하는 방식을 표현한 것임. 차원이 “상실”되는 바로 그 지점에서 점근선에 도달하는 지수곡선 비슷한 형태로 일어남
    “시간”이 어떤 차원성에서든 항상 특별한 차원처럼 보이는 이유는, 차원 위계에서 ‘바로 위’ 또는 ‘바로 아래’에 있는 차원이기 때문이라고 봄. 그래서 Minkowski 공간의 거리 공식에서 ‘시간’은 다른 차원들과 반대 부호(+/-)를 가져야 하고, 시간의 부호를 양수로 보든 음수로 보든, 즉 계량 부호 관례가 무엇이든 성립함
    이는 물론 우리 전체 4차원 우주가 더 큰 공간에 임베딩된 공간이라는 뜻이고, 기술적으로는 더 높은 차원 관점에서 일종의 “사건의 지평선”이기도 하다는 뜻임

    • “사건의 지평선의 표면이 법칙이 보존되는 곳”이라는 생각은 좋은 방식 같지 않음. 블랙홀이 충분히 크면 사건의 지평선에서 이상한 일은 아무것도 일어나지 않고, 의미 있는 길이 수축 같은 것도 없음
    • 유혹적인 생각이긴 하지만, 그러면 전이 지점에서는 무슨 일이 일어남? 물질 구가 아주 조금만 더 조밀해지는 순간에는?
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