Новые исследования предполагают, что экстремальные объекты, известные как «кугельблицы» — чёрные дыры, образованные исключительно из света, в нашей Вселенной невозможны, что бросает вызов общей теории относительности Эйнштейна. Это открытие накладывает существенные ограничения на космологические модели и демонстрирует, как можно объединить квантовую механику и общую теорию относительности для решения сложных научных вопросов.
Чёрные дыры — массивные объекты с настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может избежать их захвата — являются одними из наиболее удивительных и странных объектов во Вселенной. Обычно они образуются из коллапса массивных звёзд в конце их жизненного цикла, когда давление от термоядерных реакций в их ядрах уже не может противостоять силе гравитации.
Тем не менее, существуют более экзотические гипотезы относительно образования чёрных дыр. Одна из таких теорий предполагает создание «кугельблица», что в переводе с немецкого означает «шаровая молния».
«Кугельблиц — это гипотетическая чёрная дыра, которая образуется не в результате коллапса «обычной материи» (основными составляющими которой являются протоны, нейтроны и электроны), а в результате концентрации огромного количества электромагнитного излучения, такого как свет», — рассказал соавтор исследования Хосе Поло-Гомес (José Polo-Gómez), физик из Университета Ватерлоо и Института теоретической физики «Периметр» в Канаде.
«Несмотря на то что свет не имеет массы, он несёт энергию, — добавил Поло-Гомес, отметив, что в теории общей относительности Эйнштейна энергия отвечает за создание искривлений в пространстве-времени, что приводит к гравитационным притяжениям. — Из-за этого свет в принципе может образовывать чёрные дыры — если мы сосредоточим достаточное его количество в достаточно небольшом объёме.»
Эти принципы верны в рамках классической общей теории относительности, которая не учитывает квантовые явления. Чтобы исследовать потенциальное влияние квантовых эффектов на формирование кугельблица, Поло-Гомес и его коллеги изучили влияние эффекта Швингера.
«Когда существует невероятно интенсивная электромагнитная энергия — например, из-за огромных концентраций света — часть этой энергии превращается в материю в виде электрон-позитронных пар, — рассказал ведущий автор исследования Альваро Альварес-Домингес (Álvaro Álvarez-Domínguez) из Института физики частиц и космоса (IPARCOS) Мадридского университета Комплутенсе. — Это квантовый эффект, известный как эффект Швингера. Он также известен как вакуумная поляризация.»
В их исследовании, которое было принято к публикации в журнале Physical Review Letters, но пока ещё не опубликовано, команда рассчитала скорость, с которой создаются электрон-позитронные пары в электромагнитном поле и как это приводит к истощению энергии. Если эта скорость превышает скорость пополнения энергии электромагнитного поля в определённой области, кугельблиц образоваться не может.
Команда пришла к выводу, что даже в самых экстремальных условиях чистый свет никогда не достигнет необходимого порога энергии для образования чёрной дыры.
«Мы доказали, что кугельблицы, концентрируя свет, как искусственно в лабораторных условиях, так и в естественных астрофизических сценариях, образовать невозможно, — сказал Луис Х. Гарай (Luis J. Garay), соавтор исследования также из IPARCOS. — Например, даже если бы мы использовали самые интенсивные лазеры на Земле, мы бы всё равно находились на более чем 50 порядков ниже необходимой интенсивности для создания кугельблица.»
Это открытие имеет глубокие теоретические последствия, значительно ограничивая ранее рассматриваемые астрофизические и космологические модели, предполагающие существование кугельблицов. Оно также уничтожает надежды на экспериментальное изучение чёрных дыр в лабораторных условиях путём их создания через электромагнитное излучение.
Тем не менее, положительным результатом работы является то, что квантовые эффекты могут быть эффективно интегрированы в задачи, связанные с гравитацией, что позволяет получать ясные ответы на реальные научные вопросы.
«С теоретической точки зрения это исследование показывает, как в понимании механизмов формирования и внешнего вида астрофизических объектов важную роль могут играть квантовые эффекты», — отметил Поло-Гомес.
Вдохновлённые своими результатами, исследователи планируют продолжить изучение влияния квантовых эффектов на различные гравитационные явления, которые имеют как практическое, так и фундаментальное значение.
«Некоторые из нас очень заинтересованы в продолжении изучения гравитационных свойств квантовой материи, особенно в сценариях, где эта квантовая материя нарушает традиционные энергетические условия, — рассказал Эдуардо Мартин-Мартинес (Eduardo Martín-Martínez), также из Университета Ватерлоо и Института теоретической физики «Периметр». — Этот тип квантовой материи, в принципе, может порождать экзотические пространственно-временные структуры, что приводит к таким эффектам, как отталкивающая гравитация или к созданию экзотических решений, таких как варп-двигатель Алькубьерре или проходимые червоточины.»
Таким образом, исследование может раскрыть новые горизонты в понимании гравитационной физики и потенциально привести к открытию новых, до сих пор неизвестных астрофизических явлений.
