Nowe badanie pokazuje, że czarne dziury powstałe ze światła, zwane kugelblitze, nie mogą istnieć z powodu efektów kwantowych zachodzących przy dużych natężeniach światła. Podważa to dziesięciolecia spekulacji w astrofizyce. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Niemożliwość kugelblitz: efekty kwantowe uniemożliwiają powstawanie czarnych dziur w wyniku wysokich stężeń intensywnego światła.
Naukowcy doszli do wniosku, że kugelblitze, czyli czarne dziury powstałe ze światła, są teoretycznie niemożliwe. Odkrycie to uzyskano na podstawie modelu matematycznego uwzględniającego efekty kwantowe i ujawniono, że wymagane natężenie światła znacznie przekracza intensywność występującą we wszechświecie. Odkrycie to, choć rozczarowujące dla fizyki teoretycznej, ma głębokie implikacje dla zrozumienia mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności.
Przez ostatnie siedem dekad astrofizycy snuli teorie na temat istnienia „kugelblitz”, czyli czarnych dziur spowodowanych niezwykle wysokim stężeniem światła.
Spekulują, że te specjalne czarne dziury mogą być powiązane ze zjawiskami astronomicznymi, takimi jak ciemna materia, a nawet sugerowano, że w odległej przyszłości będą źródłem zasilania hipotetycznych silników statków kosmicznych.
Obalanie Kugelblitze: nowe badanie
Jednak nowe badania z zakresu fizyki teoretycznej przeprowadzone przez zespół badaczy z Uniwersytetu im Uniwersytetu Waterloo i Universidad Complutense de Madrid pokazuje, że kugelblitze są niemożliwe w naszym obecnym wszechświecie.
„Najpowszechniej znane czarne dziury to te, które powstają w wyniku ogromnych koncentracji regularnej materii zapadającej się pod wpływem własnej grawitacji” – powiedział Eduardo Martín-Martínez, profesor matematyki stosowanej i fizyki matematycznej oraz członek Perimeter Institute for Theoretical Physics. „Ponieważ w ogólnej teorii względności Einsteina każdy rodzaj energii zakrzywia czasoprzestrzeń, od dawna spekulowano, że ogromna koncentracja energii w postaci światła może doprowadzić do podobnego zapadnięcia się. Jednak tej prognozy dokonano bez uwzględnienia efektów kwantowych.”
Ograniczenia kwantowe czarnych dziur indukowanych światłem
Zespół zbudował model matematyczny, biorąc pod uwagę efekty kwantowe, który wykazał, że stężenie światła wymagane do wytworzenia kugelblitze będzie o kilkadziesiąt rzędów wielkości większe niż obserwowane w kwazarach, najjaśniejszych obiektach w naszym wszechświecie.
„Na długo przed osiągnięciem takiego natężenia światła najpierw wystąpiłyby pewne efekty kwantowe” – powiedział José Polo-Gómez, doktorant w dziedzinie matematyki stosowanej i informacji kwantowej. „Tak duże stężenie światła doprowadziłoby do spontanicznego tworzenia się cząstek, takich jak pary elektron-pozyton, które bardzo szybko oddalałyby się od tego obszaru”.
Chociaż warunków niezbędnych do osiągnięcia takiego efektu nie da się przetestować na Ziemi przy użyciu obecnej technologii, zespół może być pewien, że dokładność swoich przewidywań, ponieważ opierają się na tych samych zasadach matematycznych i naukowych, które wykorzystują skany pozytonowej tomografii emisyjnej (PET).
„Sposobem zrozumienia tego zjawiska jest pomyślenie o anihilacji materii i antymaterii, podobnie jak to dzieje się podczas skanów PET. Elektrony i ich antycząstki (pozytony) mogą anihilować się nawzajem i rozpadać na pary fotonów, czyli „cząstki” światła” – powiedział Martín-Martínez. „Nasze wyniki są konsekwencją zjawiska zwanego polaryzacją próżni i efektu Schwingera i chociaż wyjaśnienie ich w kilku słowach może stanowić wyzwanie, warto o tym pomyśleć w następujący sposób: przewidywane przez nas zjawisko, które zapobiegnie tworzenie czarnych dziur ze światła pod wieloma względami przypomina zjawisko rozpadu materii i antymaterii występujące w skanie PET: w przypadku dużej koncentracji fotonów mogą one rozpaść się na pary elektron-pozyton, które są szybko rozpraszane zabierając ze sobą energię i zapobiegając zapadnięciu się grawitacji”
Implikacje dla fizyki i przyszłych technologii
Chociaż niemożność kugelblitze może być rozczarowująca dla astrofizyków, odkrycie jest ważnym osiągnięciem w rodzaju badań z zakresu fizyki podstawowej, które umożliwiło partnerstwo między matematyką stosowaną, Instytutem Perimeter i Instytutem Obliczeń Kwantowych w Waterloo.
„Chociaż te odkrycia być może nie mają obecnie znanego zastosowania, kładziemy podwaliny pod innowacje technologiczne naszych potomków” – powiedział Polo-Gómez. „Nauka stojąca za urządzeniami do skanowania PET była kiedyś równie teoretyczna, a teraz jest taka w każdym szpitalu”.
Wyniki badania „Brak czarnych dziur ze światła” opublikowano w czasopiśmie: Listy z przeglądu fizycznego.
Odniesienie: „No Black Holes from Light” autorstwa Álvaro Álvareza-Domíngueza, Luisa J. Garaya, Eduardo Martína-Martíneza i José Polo-Gómeza, 26 lipca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.041401
