1. 블랙홀이란?

블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛조차 탈출할 수 없는 우주의 우물 구덩이예요. 별이 자신의 무게를 이기지 못해 쏙 꺼지면서 생깁니다.

2. 정보란 무엇인가?

정보는 물체나 사건이 어떤 상태였는지 알려주는 '설명서' 같은 거예요. 예를 들어, 케이크가 초코 맛인지 바닐라 맛인지, 별이 언제 폭발했는지 모두 정보죠.

3. 정보 역설이란?

블랙홀 속으로 무언가를 던지면, 그 물건의 정보(어떤 색깔, 모양, 내용물)가 사라질까요? 이론적으로 블랙홀은 모든 걸 삼켜 버리고, 마지막엔 아무 흔적도 남기지 않고 증발해요.

그런데 양자역학 법칙 중엔 '정보는 절대 사라지지 않는다'는 약속이 있어요. 이 두 가지가 모순을 일으키는 게 바로 정보 역설입니다.

4. 재미있는 비유

5. 해결 방안?

과학자들은 블랙홀 표면에 일종의 '정보 스크린'이 있어 삼킨 정보를 끈처럼 저장한다거나, 블랙홀이 증발하며 천천히 정보를 방출한다는 아이디어를 내놨어요.

6. 맺음말

블랙홀 정보 역설은 아직 완벽한 답을 찾지 못했지만, 우주와 양자 세계의 놀라운 연결고리를 보여줘요. 미래에는 우리가 얼마나 더 많은 비밀을 풀어낼지 기대됩니다!

1. 소개 & 문제 제기

고전적으로 블랙홀은 빛조차 빠져나올 수 없는 천체였으나, 1974년 스티븐 호킹은 블랙홀이 열적 복사를 방출하며 증발할 수 있음을 보였습니다. 이 과정에서 순수 상태(pure state)에서 시작된 계(system)가 최종에는 열적 혼합 상태(mixed state)로 바뀌어, 양자역학의 Unitary 시간 진화가 위배되는 정보 손실 문제가 발생합니다.

2. 곡률 공간 양자장론

3. 호킹 복사 유도

4. 블랙홀 열역학 & 엔트로피

5. 정보 역설

순수 상태 \(|\Psi_{in}\rangle\langle\Psi_{in}|\)에서 출발한 블랙홀은 최종에 열적 밀도 행렬 \(\rho_{rad}\)만 남기고 소멸합니다: \[ |\Psi_{in}\rangle\langle\Psi_{in}| \;\to\; \rho_{rad} = \sum_i p_i |i\rangle\langle i|. \] 이는 Unitary 보존(\(\rho^2=\rho\))을 위배합니다.

6. 엔트로피 & 복제 트릭

7. 현대적 해법: 홀로그래피 & 웜홀

8. 결론 & 전망

정보 역설은 양자역학과 중력의 융합 연구에서 핵심 난제로 남아 있습니다. 홀로그래피, 복제 웜홀, 아일랜드 공식 등 새로운 도구들이 Unitary 회복 경로를 제시하고 있으므로, 향후 양자중력 연구와 우주론적 적용이 더욱 발전할 것입니다。

1. 소개

블랙홀은 빛조차 탈출할 수 없는 극단적으로 강한 중력을 가진 천체입니다. 우주의 ‘우물’ 같은 존재로, 한 번 빠지면 빠져나오기 어렵다는 특징이 있죠.

2. 강력한 중력

블랙홀의 중력은 아주 강력합니다. 보통 별이 진화를 거쳐 중심핵이 붕괴하면서 무게가 작아져 반지름이 작아질 때 중력이 극도로 강해집니다.

3. 사건의 지평선 (Event Horizon)

사건의 지평선은 블랙홀의 경계 역할을 합니다. 이 지점을 넘어서면 어떤 정보도 외부로 전달되지 않습니다.

4. 특이점 (Singularity)

특이점은 블랙홀 중심에 존재하는 공간과 시간이 무한히 휘어지는 지점입니다. 이론적으로 밀도는 무한대가 됩니다.

5. 블랙홀 종류

• 태양 질량 블랙홀: 태양 몇 배 질량, 우리 은하 중심 근처에도 존재)
• 중간 질량 블랙홀: 100~10,000 태양 질량, 성단 중심 추정)
• 초대질량 블랙홀: 백만~수십억 태양 질량, 은하 중심에 존재)

6. 관측 방법

블랙홀 자체는 보이지 않지만, 주변 물질이 빠르게 회전하며 방출하는 X선 등을 통해 간접 관측합니다.

7. 맺음말

블랙홀은 우주의 신비로 가득한 천체입니다. 이번 기초 가이드로 블랙홀의 개념, 중력, 사건의 지평선, 특이점, 종류, 그리고 관측 방법까지 쉽게 살펴보았습니다. 더 깊은 내용을 배우고 싶다면 천체물리학 입문서를 참고해보세요!

1. 들어가기 – “대칭”이란 무엇인가?

Intuition Box

거울 속 내 모습은 진짜 나일까요, 다른 사람일까요?

우리가 일상에서 마주하는 좌우 대칭과 같이, 물리 법칙에도 어떤 변환 후에도 변하지 않는 성질이 있을까요? 이 질문이 바로 CPT 대칭을 탐구하는 출발점입니다.

2. 이론 배경: 연산과 연산자

3. C, P, T를 먼저 ‘느껴보기’

C: 전하 반전 (Charge Conjugation)

P: 공간 반전 (Parity)

T: 시간 반전 (Time Reversal)

4. 이론 배경: 로렌츠 공변성과 국소성

5. 각 대칭의 공식 정의 + 수식더 알아보기

P 작용 예시

파동함수에 대한 공간 반전 P 연산자 작용은 다음과 같습니다:

$$ \psi(t,\mathbf{x}) \xrightarrow{P} \gamma^0 \,\psi(t,-\mathbf{x}) $$

C, T 정의 요약

• C: $$ \psi(x) \xrightarrow{C} C\overline{\psi}^T(x) $$ (전하 반전)
• T: $$ \psi(t,\mathbf{x}) \xrightarrow{T} T\psi^*(-t,\mathbf{x}) $$ (시간 역행 + 복소켤레)

1. 좌표 반전: x → -x
2. 스피너 회전 보정: ψ → γ^0 ψ
3. 전체: P ψ(x) P^{-1} = γ^0 ψ(-x)
      

C ψ(x) C^{-1} = C ψ^*(x)
      

6. 실험으로 보는 C, P, T 위반

베타 붕괴에서 P 위반 (Wu 실험)

“전자가 어떤 방향으로 튀어나갔나？”로 P 대칭 위반을 확인할 수 있었습니다。

중성 K-메존에서 CP 위반

CP 대칭도 깨지며 물질–반물질 비균형의 단서를 제공합니다。

7. 이론 배경: 표준모형의 CP 위반 메커니즘

8. CP 조합과 우주론적 의미

CP 위반은 우주 초기 물질이 약간 더 많이 남게 된 이유를 설명하는 핵심 단서입니다。

9. CPT 정리 – ‘왜 반드시 성립하는가?’더 알아보기

CPT 정리는 로렌츠 공변성，국소성，인과성 가정을 바탕으로 증명됩니다。

다음은 핵심 필드 변환 예시입니다：

$$ \phi(x)\,\xrightarrow{CPT}\,\phi^\dagger(-x),\quad \psi(x)\,\xrightarrow{CPT}\,\gamma^5 C\,\psi^*(-x) $$

1. 아날리틱 확장: θ → θ + iπ
2. 성분 교환: φ(x)χ(0) → χ(0)φ(x)
3. 연산자 연결: CPT O(x) CPT^{-1} = O^†(-x)
      

10. 실험적 검증 총정리

• 1964: Kaon 실험에서 최초 CP 위반 발견
• 1999: B-메존 실험 (Belle，BaBar)
• 최근: 중성 미온 실험에서 CPT 정밀 검증

11. 확장: CPT 위반 이론들

양자중력 모형，비국소성·Lorentz 위반 모형에서 CPT 깨짐을 탐구합니다。

천체 관측 예：GRB，중성자 전기쌍극자 모멘트 측정

12. 맺음말

더 읽어볼 자료：

• “The CPT Theorem” (arXiv)
• Particle Data Group 리뷰