光无法形成黑洞 新发现挑战广义相对论

2024-07-24 

据美国趣味科学网站7月9日报道，新的研究表明，被称为“球形闪电”(仅由光形成的黑洞)的极端物体在我们的宇宙中是不可能存在的，这对爱因斯坦的广义相对论提出了挑战。这一发现对宇宙学模型提出了重大限制，并展示了如何能将量子力学和广义相对论结合起来解决复杂的科学问题。

黑洞是质量巨大的物体，其引力非常之强，连光都无法逃脱其控制，它也是宇宙中最引人注目和最奇特的物体之一。通常，它们是由质量巨大的恒星在其生命周期结束时坍缩而成，此时其核心中的热核反应压力不再能抵消引力。

“球形闪电是一种假想黑洞，它不是由‘普通物质’(主要成分是质子、中子和电子)坍缩而形成，而是由大量电磁辐射聚集(比如光)形成的。”这项研究的共同作者、加拿大滑铁卢大学和佩里米特理论物理研究所的物理学家何塞·波洛-戈麦斯在电子邮件中告诉趣味科学网站。

“尽管光没有质量，但它确实携带能量。”波洛-戈麦斯说。他又说，在爱因斯坦的广义相对论中，能量负责在时空中产生曲率，从而产生引力。因此，“原则上，如果我们将足够多的光集中在足够小的体积中，光就有可能形成黑洞”。

这些原理在经典广义相对论下是正确的，但经典广义相对论并不考虑量子现象。为了探索量子效应对球形闪电的潜在影响，波洛-戈麦斯和他的同事研究了施温格效应的影响。

“当存在非常强烈的电磁能量时——例如，由于光的大量集中——部分能量会以电子-正电子对的形式转化为物质，”研究主要作者、马德里康普顿斯大学粒子与宇宙物理学研究所的阿尔瓦罗·阿尔瓦雷斯-多明格斯在电子邮件中告诉趣味科学网站，“这是一种称为施温格效应的量子效应，它也被称为真空极化。”

这种艺术构想展示了已知最原始的超大质量黑洞之一，即位于年轻、富含恒星的星系核心的中心黑点。

在即将发表在《物理评论快报》的研究中，研究小组计算了电磁场中电子-正电子对消耗能量的速率。如果该速率超过给定区域电磁场能量的补充速率，那就无法形成球形闪电。

研究小组发现，即使在最极端的情况下，纯粹的光也无法达到形成黑洞所需的能量阈值。

“我们所证明的是，无论是在实验室中人工聚集光，还是在自然发生的天体物理场景中，都不可能形成球形闪电，”研究联合作者、马德里康普顿斯大学粒子与宇宙物理学研究所的路易斯·J·加拉伊对趣味科学网站说，“例如，即使我们使用地球上最强的激光，距离产生球形闪电所需的强度仍相差50个数量级以上。”

这一发现具有深远的理论意义，极大地限制了以前考虑过的假设存在球形闪电的天体物理学和宇宙学模型。它还粉碎了在实验室通过电磁辐射创造黑洞进行实验研究的希望。

尽管如此，这项研究的积极结果还是表明，量子效应可以有效地融入涉及引力的问题中，从而为实际的科学问题提供明确的答案。

“从理论角度来看，这项工作展示了量子效应能如何在理解天体的形成机制和外观方面发挥重要作用。”波洛-戈麦斯说。

受他们的发现启发，研究人员计划继续探索量子效应对各种引力现象的影响，这既具有实际意义，也具有根本性意义。

“我们中的一些人非常有兴趣继续研究量子物质的引力特性，尤其是在这种量子物质违反传统能量条件的场景中，”滑铁卢大学和佩里米特理论物理研究所的爱德华多·马丁-马丁内斯说，“从原则上来说，这种量子物质可以产生奇异的时空，从而带来诸如反引力之类的效应，或者产生像阿库别瑞曲速引擎或可穿越虫洞那样的奇异解决方案。”