研究发现由光构成的黑洞是不可能的——挑战爱因斯坦的相对论

新的理论研究发现，仅靠光粒子的能量不可能形成黑洞，这在爱因斯坦的广义相对论上戳了一个洞。

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提出了重大限制，并展示了如何协调量子力学和广义相对论来解决复杂的科学问题。

黑洞——具有如此强大引力的巨大物体，甚至光都无法逃脱它们的控制——是宇宙中最有趣和最奇异的物体之一。通常，它们是由大质量恒星在其生命周期末期的塌缩形成的，此时其核心热核反应的压力无法再抵消重力。

然而，关于黑洞形成存在更奇特的假设。其中一个理论涉及创建“kugelblitz”，德语中“球状闪电”的意思。 （复数形式是“kugelblitze”。）

“库格尔闪电是一种假想的黑洞，它不是由‘普通物质’（其主要成分是质子、中子和电子）塌缩形成的，而是由大量电磁辐射（例如光）集中形成的，”研究合著者何塞·波罗-戈麦斯 (José Polo-Gómez) 是滑铁卢大学和加拿大周边理论物理研究所的物理学家，他在一封电子邮件中告诉《生活科学》。

波罗-戈麦斯说：“尽管光没有质量，但它确实携带能量。”他补充说，在爱因斯坦的广义相对论中，能量导致时空弯曲，从而产生引力。 “因此，原则上光有可能形成黑洞——如果我们将足够多的光集中在足够小的体积内，”他说。

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这些原理在经典广义相对论下成立，但它不能解释量子现象。为了探索量子效应对库格尔闪电形成的潜在影响，波罗-戈麦斯和他的同事研究了施温格效应的影响。

研究主要作者Álvaro Álvarez-Domínguez 在一封电子邮件中告诉《生活科学》。 “这是一种称为施温格效应的量子效应。它也称为真空极化。”

他们的研究已被《物理评论快报》杂志接受发表，但尚未发表，研究小组计算了电子-正电子对在电磁场会耗尽能量。如果这个速率超过给定区域电磁场能量的补充速率，则库格尔闪电战就无法形成。

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。

“我们证明的是，无论是在实验室中人工还是在自然发生的天体物理场景中，库格尔闪电不可能通过聚集光线来形成，”研究合著者、同样来自 IPARCOS 的路易斯·J·加雷 (Luis J. Garay) 告诉 Live科学。 “例如，即使我们使用地球上最强烈的激光，我们仍然距离产生库格尔闪电战所需的强度超过 50 个数量级。”

这一发现具有深远的理论意义，极大地限制了之前假设库格尔闪电存在的天体物理学和宇宙学模型。它还破灭了在实验室环境中通过电磁辐射产生黑洞来进行实验研究黑洞的希望。

尽管如此，该研究的积极成果表明，量子效应可以有效地融入到涉及重力的问题中，从而为实际的科学问题提供明确的答案。

“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，”波罗-戈麦斯说。

受他们的发现启发，研究人员计划继续探索量子效应对各种引力现象的影响，这既具有实际意义又具有基础意义。

“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，特别是在量子物质违反传统能量条件的情况下，”同样来自哥伦比亚大学的爱德华多·马丁-马丁内斯 (Eduardo Martín-Martínez) 说道。滑铁卢和周边研究所。 “原则上，这种类型的量子物质可以产生奇异的时空，从而产生排斥引力等效应，或产生奇异的解决方案如阿尔库别雷曲速驱动或可穿越的虫洞。”