量子力学驳斥一种异域类型的黑洞

最近发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文声称，来证明一个“闪电球（kugelblitz）”是不可能的。

HARD SCIENCE — AUGUST 1, 2024

Don Lincoln

Credit: Chattanooga Tshirt / Adobe Stock

关键要点

黑洞传统上被认为要求一个大的质量，但它们也能通过集中能量被创造，就像理论上叫“闪电球”的黑洞类型一样

最近的研究表明量子效应特别是施温格效应，通过造成能量比它能被集中的来更快逃逸来防止闪电球的形成。

因此，虽然广义相对论允许闪电球的可能性，但结合量子力学排除掉它们。

黑洞可能是最著名的异域宇宙公民。甚至这个配方是众所周知的：取一个大质量——也许多的是太阳的四倍或者更大——把它压缩到微小的尺寸，瞧，你就是一个黑洞的自豪主人。

普遍认为来制造一个黑洞你需要大量的被集中的质量。但一个更正确的想法是一个黑洞是大量被集中的能量。如果这是真的，理论上意味着如果你在一个点上照射足够多的超强激光光能可以创造一个黑洞。一个以这种方式弄成的黑洞的名字是“闪电球”（德语为kugelblitz）。最近发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文声称来证明闪电球是不可能的。

闪电球

按照爱因斯坦的著名方程E=mc^2，能量和质量是相等的。然而，这一陈述并不是完全正确。有一个c平方的参数，这是光速的平方。在标准公制单位中，c平方是一个巨大的数字，约为10^17。因此，一个少量的质量是一个宏大的能量。例如，一克的物质相当于被广岛核爆炸释放的能量。

当你了解在普通物质中被储存了多少能量时，来看到为什么天文学家已经得出质量是来制造一个黑洞所必需的结论变得更容易理解。质量只是高度集中的能量。

当你问普通物质的质量从什么地方来时不是质量而是能量的中心性变得更明显的。物质是由原子组成的，由质子、中子和电子组成。与质子和中子（统称为核子）相比，电子的质量是可忽略的；这样质量被集中在核子中。

更深挖掘，科学家们已经发现核子是由叫夸克的更小粒子组成。然而，当核子内的夸克的质量被加起来时，总和仅为核子质量的2%左右。剩余的98%的核质量被发现在夸克的运动中。夸克在核子内以接近光速运动。这种巨大的速度造成大量的能量。此外，需要超强的力来将夸克保持在核子内。这些超强的力造成甚至更多的能量。

因此，我们看到熟悉的质量最多只不过是夸克的运动和结合能。真的，到一个非常真实的程度，所有的质量都只不过是能量。如果质量是能量，黑洞被集中的质量造成，那么任何足够密集的能量的集中将造成一个黑洞经得起究因。从这一认识中唤醒了这样一种如果一个人在一个足够小的体积内来集中足够的光能的想法，你可以制造出一种特定种类的黑洞：一个闪电球。

如果你用爱因斯坦的广义相对论做一个详细的计算，含义是清楚的：闪电球理论上是真实的。

但广义相对论是一种准经典理论，它完全的忽略量子效应。鉴于需要量子力学来描述超小的世界，而黑洞需要将大量能量集中进一个小体积中，任何忽视量子效应的闪电球的存在预测几乎肯定是不实在的。

进入量子力学

如此这就是马德里康普顿斯大学和滑铁卢大学的一小群科学家所做的。他们研究了量子力学如何影响闪电球预测。

没有被广义相对论包括的一个效应是所谓的施温格效应。施温格效应描述当你将大量电磁能集中在一个小体积内时发生什么。当电磁能量被非常集中时，它能将它自己转化为一个电子和反物质电子。然后，这些粒子能逃逸这个体积。如果能量逃逸的速率大于能量集中的速率，它设定一个多少能量能被集中的限制。作者相当有说服力的表明，在高能量密度下施温格效应统治。能量比它能增加的更快损失。对大小在10^-29米（比一个质子小得多）到10^8米（比太阳小一些）之间的天体闪电球不能形成。比那些在最近结果中涵盖的尺寸更小的尺寸接近普朗克尺度——一个众所周知在这个尺度上所有已知的物理定律都崩溃。这样，任何用广义相对论在更小尺度上计算闪电球的存在是不实在的。在更大的尺度上，没有已知的现象能压缩一个太阳大小的体积中所需的能量。因此，结果似乎相当明确。虽然广义相对论说闪电球能存在，但当考虑到量子效应时闪电球被排除在外。

这一观察无疑对雨伞学院的粉丝是痛苦的，因为闪电球是该剧第三季的一个核心特征。然而，撇开科幻小说迷的失望，将广义相对论和量子效应融合的能力对物理学家是一个重要目标。最近的这项工作与霍金辐射（预测的缓慢蒸发黑洞的辐射）一起，为一个向前迈出的有用的一步。

https://bigthink.com/hard-science/quantum-mechanics-disproves-an-exotic-type-of-black-hole/