Кугельблиц оказался невозможен из-за квантовых эффектов

Физики из Испании и Канады показали, что из-за квантовых эффектов невозможно формирования черных дыр исключительно из электромагнитного излучения — так называемые кугельблицы. Точнее говоря, для их формирования требуется нереалистично большая энергия. Статья принята к публикации в Physical Review Letters и доступна в репозитории препринтов arXiv.org.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, большая концентрация излучения в одной точке может привести к искривлению пространства-времени, достаточного для формирования черной дыры. Существуют точные решения уравнений Эйнштейна — Максвелла, описывающие коллапс электромагнитного излучения — кугельблицы. Ученые разрабатывали различные теории относительно этих необычных черных дыр, от рассмотрения их как потенциальных кандидатов в темную материю до предположений о возможности их использования в качестве экзотических двигателей. Однако ранее не рассматривались квантовые эффекты при оценке самой возможности возникновения кугельблицев.

Альваро Альварес Домингес (Álvaro Álvarez-Domínguez), Луис Гарай (Luis J. Garay), Эдуардо Мартин-Мартинес (Eduardo Martín-Martínez) и Хосу Поло-Гомез (José Polo-Gómez) из Мадридского университета Комплутенсе и Университета Уотерлу показали, что из-за квантовых эффектов возникновение кугельблица невозможно. Согласно расчетам ученых, при большой концентрации излучения становится существенной утечка энергии из-за образования электрон-позитронных пар — эффект Швингера. Рожденные электроны и позитроны могут покидать локальную область концентрации излучения и уносить энергию, необходимую для возникновения черной дыры.

Чтобы это продемонстрировать, ученые рассчитали необходимую энергию для формирования черной дыры в сфере радиусом от 10^-29 до 10⁸ метров с постоянным притоком энергии и ее диссипацией за счет квантовых эффектов. Физики получили дифференциальное уравнение первого порядка, решая которое, они получили ограничение на минимальную напряженность поля в зависимости от радиуса, при которой возможно формирование черной дыры: 10²⁷ вольт / R. Ученые отмечают, что при такой энергии все частицы, рожденные в ходе эффекта Швингера, ультрарелятивистские, что дает возможность ограничить время, которое им требуется, чтобы покинуть сферу, скоростью света отнесенной к радиусу сферы.

Это накладывает ограничение на минимальный приток мощности, требуемый для создания кугельблица, в 10⁸³ Ватт на метр, что на десятки порядков превосходит достигнутые мощности лазеров — порядка 10²⁷ Ватт на метр. А требуемый полный приток мощности оказывается существенно больше мощности ярчайших квазаров, мощность которых составляет около 10⁴¹ Ватт.

Таким образом, по словам физиков, уже одного эффекта Швингера достаточно, чтобы воспрепятствовать образованию кугельблица как в природе, так и в лабораторных условиях. По их расчетам, для компенсации эффекта Швингера и создания черной дыры исключительно из излучения, требуется энергия на десятки порядков превосходящая природные источники или достигнутые мощности лазеров.

Как заключили ученые, невозможно создать черную дыру за счет гравитационного коллапса электромагнитного излучения из-за эффекта Швингера. Кстати, его аналог ученые уже наблюдали в графене.