[논문 리뷰] The fate of black hole singularities and the parameters of the standard models of particle physics and cosmology

Lee Smolin|ArXiv.org|1994. 04. 07.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 5인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀의 특이점이 양자역학적 반동을 겪어 물리적 상수가 무작위로 변형된 새로운 우주를 창출하는 천체론적 자연선택 이론을 제안한다. 이 이론은 우리의 우주의 물리적 상수가 블랙홀 생성을 극대화하도록 조정되어 있으며, 은하계에서의 블랙홀 생성 수를 분석한 천체물리학적 연구가 이를 지지한다. 작은 물리적 상수의 변화는 블랙홀 생성 수를 감소시킨다.

ABSTRACT

A cosmological scenario which explains the values of the parameters of the standard models of elementary particle physics and cosmology is discussed. In this scenario these parameters are set by a process analogous to natural selection which follows naturally from the assumption that the singularities in black holes are removed by quantum effects leading to the creation of new expanding regions of the universe. The suggestion of J. A. Wheeler that the parameters change randomly at such events leads naturally to the conjecture that the parameters have been selected for values that extremize the production of black holes. This leads directly to a prediction, which is that small changes in any of the parameters should lead to a decrease in the number of black holes produced by the universe. On plausible astrophysical assumptions it is found that changes in many of the parameters do lead to a decrease in the number of black holes produced by spiral galaxies. These include the masses of the proton,neutron, electron and neutrino and the weak, strong and electromagnetic coupling constants. Finally,this scenario predicts a natural time scale for cosmology equal to the time over which spiral galaxies maintain appreciable rates of star formation, which is compatible with current observations that $Ω= .1-.2$.

연구 동기 및 목표

• 기본 입자 및 천체론적 상수가 관측된 값으로 되어 있는 이유, 즉 복잡한 구조와 블랙홀 형성에 대해 매우 정밀하게 조정되어 있는 이유를 설명하는 것.
• 블랙홀 특이점이 양자중력에 의해 해결되어 새로운 우주가 생성되며, 그 물리적 상수가 무작위로 변화된다는 가설을 검증하는 것.
• 관측된 물리적 상수의 값이 천체론적 자연선택 시나리오에서 예측한 바와 같이 나선은하에서 블랙홀 생성을 극대화하는지 확인하는 것.
• 검증 가능한 예측 제공: 핵심 상수의 미세한 변화는 블랙홀 생성 수를 감소시킬 것이며, 이를 천체물리학적 관측과 별의 모델링으로 실험적으로 반증할 수 있다.

제안 방법

• 양자중력이 블랙홀 특이점을 반동을 통해 해결하여 서로 다른 인과관계를 가진 확장되는 새로운 우주를 창출한다고 가정한다.
• 자연선택의 유사성을 적용: 블랙홀 생성 비율이 높은 우주는 더 많이 복제될 가능성이 높으며, 이는 블랙홀 생성 수를 극대화하는 물리적 상수 조합을 선호한다.
• 핵심 상수의 변화에 따른 블랙홀 형성 비율을 추정하기 위해 나선은하의 천체물리학적 모델을 사용한다: 양성자-중성자 질량 차이, 전자 및 중성자 질량, 결합 상수.
• 초신성 에너지 출력과 핵합성(특히 호일의 상태를 통한 탄소-12 형성)의 변화를 평가하여 블랙홀 생성에 대한 민감도를 분석한다.
• 중력과 미세구조상수의 관계를 설명하는 캐터의 관계 및 제2형 초신성에서 약한 상호작용의 역할을 포함한 별의 진화 제약 조건을 분석한다.
• 모델의 예측을 현재 천체론적 데이터와 일치시키기 위해 Ω ≈ 0.1–0.2의 관측 추정치와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 양성자-중성자 질량 차이의 값이 나선은하에서 블랙홀 생성을 극대화하는가?
• RQ2 전자 또는 중성자 질량을 증가시키면 별의 붕괴 과정에서 생성되는 블랙홀의 수가 감소하는가?
• RQ3 강한 상호작용 또는 전자기 상호작용의 결합 상수가 변화하면, 특히 탄소 핵합성에 의해 블랙홀 수확에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 우주론적 상수와 중성자 질량의 미세조정은 최대 블랙홀 생성을 위한 선택에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 관측된 Ω ≈ 0.1–0.2의 값은 나선은하에서 지속적인 항성 형성에 의해 정의된 천체론적 시간 척도와 일치하는가?

주요 결과

• 질량 차이 Δm의 반전은 초신성 역학과 핵합성의 변화로 인해 블랙홀 생성 수를 크게 감소시킨다.
• 초신성 에너지와 물질 분출에 영향을 주는 페르미 결합 상수 GFermi의 변화는 블랙홀 수확을 감소시키며, 천체론적 자연선택의 예측을 지지한다.
• 중성자-양성자 질량 차이, 전자 질량, 중성자 질량, 또는 미세구조상수(α)의 증가가 임계 임계값을 초과하면 탄소-12 생성이 불안정해져 블랙홀 형성이 감소한다.
• 강한 상호작용 상수 αstrong가 임계값 이하로 감소하면 탄소-12가 불안정해지며, 이는 항성 에너지 생산과 이후 초신성에 의한 블랙홀 형성에 필수적이다.
• 이 시나리오는 블랙홀 생성을 극대화하는 데 자연스럽게 연결된 천체론적 시간 척도를 예측하며, 현재의 Ω ≈ 0.1–0.2 관측 추정치와 일치한다.
• 이 모델은 우주론적 상수와 중성자 질량의 작음을 블랙홀 생성 수를 극대화하는 선택의 결과로 설명하며, 인플레이션 이론의 미세조정에 대한 검증 가능한 대안을 제공한다.