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研究发现由光弄成的黑洞是不可能的——挑战爱因斯坦的相对论

(2024-07-10 15:11:38)

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杂谈

研究发现由光弄成的黑洞是不可能的——挑战爱因斯坦的相对论

By Andrey Feldman

published 5 hours ago

Black Holes

新的理论研究发现单单用光粒子的能量来形成一个黑洞是不可能的，在爱因斯坦的广义相对论中戳着一个洞。

当大质量天体在它们自己的引力下坍塌时黑洞形成。爱因斯坦的相对论提示这样一个天体能从足够的光浓度本身形成，但新的研究在这一预测中戳着一个洞。(Image credit: Vikiverse / Pixabay)

新的研究提示被称为“球闪电（kugelblitze）”的极端天体——仅从光形成的黑洞——在我们的宇宙中是不可能的，挑战着爱因斯坦的广义相对论。这一发现在宇宙学模型上放上重大约束，并展示量子力学和广义相对论如何能被调和来解决复杂的科学问题。

有强大的引力拉力甚至光不能够逃脱它们的抓住的黑洞是宇宙中最有趣、最奇特的天体之一。典型的，它们从大质量恒星在它们的生命周期结束时的坍塌形成，当来自它们核的热核反应产生的压力不再能抵消引力的力时。

然而，关于黑洞形成有更奇特的假说。其中一个理论涉及“kugelblitz”的创造，kugelblitz是德语中“球闪电”的意思

研究合著者、滑铁卢大学和加拿大周边理论物理研究所的物理学家焦瑟保罗高美茨在一封电子邮件中告诉生活科学杂志，“球闪电是一个假设的不是由‘普通物质’（其主要成分是质子、中子和电子）的坍塌而是由集中的宏大量的电磁辐射（如光）形成的黑洞”。

保罗高美茨说， “即便光确实没有质量但它确实携带能量” 。他补充道在爱因斯坦的广义相对论中，能量对在空时中造成引力吸引创造曲率是负责的。他说，“正因为如此，如果我们集中足够多的光在一个足够小的体积内来形成黑洞原则上是有可能的”。

这些原理在不考虑量子现象的经典广义相对论下坚持为真。为探索量子效应对球闪电形成的潜在影响，保罗高美茨和他的同事检查了施温格（Schwinger）效应的影响。

主要研究作者马德里康普鲁坦斯大学粒子与宇宙物理研究所（IPARCOS）的阿尔瓦洛（ÁlvaroÁlvarez Domínguez）在一封电子邮件中告诉《生活科学》杂志，“当有一种难以置信的强的电磁能时例如由于光的宏大浓度这种能量的部分以正负电子对的形式转化成物质。这是一种叫施温格效应的量子效应。它也被称为真空极化” 。

爱因斯坦的广义相对论声明是能量而不是质量对造成引力吸引的空时曲率是负责的。根据这一理论，黑洞应该能够单独从光的能量形成。(Image credit: NASA/JPL-Caltech)

在他们的已被《物理评论快报》杂志接受发表但还没有发表的研究中，该团队计算了在一个电磁场中产生的正负电子对消耗能量的速率。如果这个速率超过在一个给定区域中电磁场的能量的补充速率，一个球闪电不能形成。

研究小组发现了甚至在最极端的情况下，纯光可能永远不能达到来形成一个黑洞所需的能量阈值。

研究合著者、康普鲁坦斯大学粒子与宇宙物理研究所的刘易斯伽雷告诉生活科学杂志，“我们证明的是无论是在实验室中人为的还是自然的发生的天体物理场景中，通过集中光来形成球闪电是不可能的，例如即便我们用了地球上最强的激光，我们仍将距离需要来创造一个球闪电的强度相差50多个数量级” 。

这一发现有深远的理论涵义，重大的约束先前的考虑了存在球闪电的天体物理和宇宙学模型。它也冲击在实验室设定中通过电磁辐射创造黑洞研究黑洞的任何希望。

尽管如此，这项研究的积极结果表明量子效应能被有效的整合进涉及引力的问题中，这样为实际的科学问题提供清楚的答案。

保罗高美茨说，“从一个理论的观点，这项工作展示量子效应如何能在理解天体物理物体的形成机制和出现中起一个重要角色”。