研究发现由光形成的黑洞是不可能的——挑战爱因斯坦的相对论

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当大质量物体在自身重力作用下坍塌时，黑洞就形成了。爱因斯坦的相对论表明，这样的物体本身可以由足够大的光浓度形成，但新的研究在这一预测中戳了一个洞。（图片来源：Vikiverse/Pixabay）

据美国生活科学网站（Andrey Feldman）：新的研究表明，被称为“kugelblitze”的极端物体——仅由光形成的黑洞——在我们的宇宙中是不可能的，这挑战了爱因斯坦的广义相对论。这一发现对宇宙学模型施加了重大限制，并展示了量子力学和广义相对论如何调和以解决复杂的科学问题。

黑洞是宇宙中最有趣、最奇异的物体之一，它具有强大的引力，甚至连光都无法逃脱。通常，它们是由大质量恒星在其生命周期结束时的坍缩形成的，此时其核心热核反应产生的压力不再能抵消重力。

然而，关于黑洞的形成，存在着更奇特的假说。其中一个理论涉及“kugelblitz”的创建，德语中“球闪电”的意思

“kugelblitz是一个假设的黑洞，它不是由‘普通物质’（其主要成分是质子、中子和电子）的坍塌形成的，而是由集中大量的电磁辐射（如光）形成的，”研究合著者、滑铁卢大学和加拿大Perimeter理论物理研究所的物理学家JoséPolo-Gómez在一封电子邮件中告诉Live Science。

Polo-Gómez说：“尽管光没有质量，但它确实携带能量。”他补充道，在爱因斯坦的广义相对论中，能量负责在时空中产生曲率，从而产生引力。他说：“正因为如此，如果我们把足够多的光集中在足够小的体积内，原则上光就有可能形成黑洞。”。

这些原理在不考虑量子现象的经典广义相对论下成立。为了探索量子效应对kugelblitz形成的潜在影响，Polo-Gómez和他的同事研究了Schwinger效应的影响。

马德里Complutense大学粒子与宇宙物理研究所（IPARCOS）的主要研究作者álvaroálvarez Domínguez在一封电子邮件中告诉《生活科学》：“当有一种难以置信的强电磁能时，例如，由于光的巨大浓度，这种能量的一部分会以正负电子对的形式转化为物质。”。“这是一种被称为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指出，造成引力吸引的时空曲率是由能量而非质量造成的。根据这一理论，黑洞应该能够单独由光的能量形成。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院）

在他们的研究中，该团队计算了电磁场中产生的正负电子对消耗能量的速率。该研究已被《物理评论快报》杂志接受发表，但尚未发表。如果这个速率超过给定区域电磁场能量的补充速率，就不可能形成kugelblitz。

研究小组发现，即使在最极端的情况下，纯光也永远无法达到形成黑洞所需的能量阈值。

“我们证明，无论是在实验室中还是在自然发生的天体物理场景中，通过聚光都不可能形成kugelblitze，”研究合著者、IPARCOS的Luis J.Garay告诉Live Science。“例如，即使我们使用了地球上最强的激光，我们仍将距离制造kugelblitz所需的强度相差50多个数量级。”

这一发现具有深远的理论意义，极大地限制了先前认为存在kugelblitze的天体物理和宇宙学模型。它也粉碎了在实验室环境中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表明，量子效应可以有效地整合到涉及引力的问题中，从而为实际的科学问题提供明确的答案。

Polo-Gómez说：“从理论角度来看，这项工作展示了量子效应如何在理解天体物理物体的形成机制和外观方面发挥重要作用。”。

受他们发现的启发，研究人员计划继续探索量子效应对各种引力现象的影响，这既有实际意义，也有根本意义。

“我们中的一些人对继续研究量子物质的引力特性非常感兴趣，特别是在这种量子物质违反传统能量条件的情况下，”同样来自滑铁卢大学和周长研究所的爱德华多·马丁内斯说。“原则上，这种类型的量子物质会产生奇异的时空，产生排斥引力等效应，或产生奇异的解决方案，如阿尔库比尔翘曲驱动器或可穿越的虫洞。”