Загадка кугельблица: что не так с теорией чёрных дыр

Недавняя статья в журнале Physical Review Letters утверждает, что создание так называемого "кугельблица" невозможно.

Кугельблиц - это гипотетический объект, представляющий собой чёрную дыру, образованную не из материи, а из чистой энергии, например, из сконцентрированного электромагнитного излучения. Традиционно считается, что для образования чёрной дыры требуется большая масса. Однако теоретически чёрные дыры могут образовываться и путём концентрации энергии, как в случае с гипотетической чёрной дырой типа "кугельблиц". Согласно последним исследованиям, квантовые эффекты, в частности эффект Швингера , препятствуют формированию кугельблицов, заставляя энергию покидать область концентрации быстрее, чем она может быть собрана.

Таким образом, хотя общая теория относительности допускает возможность существования кугельблицов, их образование невозможно при учёте квантовой механики.

Чёрные дыры являются одним из самых известных космических объектов. Обычно для их создания требуется масса, в несколько раз превышающая массу Солнца, сжатая до крошечных размеров. Однако более точное представление заключается в том, что чёрная дыра — это большое количество концентрированной энергии. Теоретически, если направить мощные лазеры на одну точку, световая энергия может создать чёрную дыру. Такое образование и называется кугельблиц (нем. "шаровая молния").

Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна, E = mc², энергия и масса эквивалентны. Однако стоит учитывать параметр c² — квадрат скорости света, который является огромным числом. Это означает, что небольшое количество массы эквивалентно огромной энергии. Например, один грамм вещества соответствует энергии, высвобожденной при ядерном взрыве в Хиросиме.

Когда осознаётся, сколько энергии хранится в обычной материи, становится понятно, почему астрономы пришли к выводу, что для создания чёрных дыр необходима масса, которая является высококонцентрированной энергией.

Материя состоит из атомов, включающих протоны, нейтроны и электроны. Масса электронов незначительна по сравнению с протонами и нейтронами (вместе называемыми нуклонами). При этом нуклоны состоят из более мелких частиц — кварков. Суммарная масса кварков составляет лишь около 2% от массы нуклонов. Остальные 98% массы приходится на движение кварков с околосветовой скоростью и на сверхсильные силы, удерживающие их внутри нуклонов.

Таким образом, масса — это в основном энергия движения и связывания кварков. Исходя из этого, можно предположить, что любая достаточно плотная концентрация энергии приведёт к образованию чёрной дыры. Так возникла идея создания кугельблицов путём концентрации световой энергии в небольшом объёме.

Однако общая теория относительности является квазиклассической и не учитывает квантовые эффекты. А квантовая механика необходима для описания мира на ультрамалых масштабах, где для создания чёрных дыр требуется концентрация большого количества энергии в малом объёме. Поэтому любые предсказания о существовании кугельблицов, игнорирующие квантовые эффекты, почти наверняка ошибочны.

Группа учёных из Университета Комплутенсе в Мадриде и Университета Ватерлоо исследовала, как квантовая механика влияет на предсказания о кугельблицах. Один из эффектов, не учтённых в общей теории относительности, — это эффект Швингера. Он описывает, что происходит при концентрации большого количества электромагнитной энергии в малом объёме. В таких условиях энергия может превращаться в электрон и антиэлектрон, которые затем покидают этот объём. Если скорость потери энергии превышает скорость её концентрации, то это ограничивает возможную концентрацию энергии.

Учёные убедительно показали , что при высокой плотности энергии эффект Швингера доминирует, и энергия теряется быстрее, чем накапливается. В диапазоне размеров от 10^-29 метров (меньше протона) до 10^8 метров (меньше Солнца) кугельблицы не могут формироваться. Для меньших размеров расчёты приближаются к планковской шкале, где все известные законы физики перестают действовать. На больших масштабах нет известных явлений, способных сжать необходимое количество энергии в объём размером с Солнце.

Таким образом, несмотря на то что общая теория относительности допускает существование кугельблицов, квантовые эффекты их исключают.

Это открытие может разочаровать поклонников сериала " Академия Амбрелла ", где кугельблицы играют важную роль. Тем не менее, способность объединить общую теорию относительности и квантовые эффекты — важная цель для физиков. Недавние исследования, наряду с излучением Хокинга, представляющим собой медленное испарение чёрных дыр, являются значительным шагом вперёд.