Vrimat e zeza nuk mund të krijohen nga drita

Imazhi1> D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel/NASA/ESA/STScI

Nga>physics.aps.org, 26 korrik 2024• Fizika 17, 119> Physics – Black Holes Can’t Be Created by Light (¹).

Formimi i një vrime të zezë vetëm nga drita lejohet nga relativiteti i përgjithshëm, por një studim i ri thotë se fizika kuantike e përjashton atë.

Kur drita errësohet. Sipas relativitetit të përgjithshëm, duhet të jetë e mundur që një vrimë e zezë të formohet jo vetëm nga një përqendrim i lartë i masës por edhe nga drita shumë intensive. Ky imazh i simuluar tregon shtrembërimin e dritës së yjeve rreth një vrime të zezë në qendër të një galaktike.

Vrimat e zeza janë të njohura për t’u formuar nga përqendrime të mëdha të masës, të tilla si yjet e djegur. Por sipas relativitetit të përgjithshëm, ato mund të formohen edhe nga drita ultra-intensive. Teoricienët kanë spekuluar për këtë ide për dekada të tëra. Megjithatë, llogaritjet nga një ekip studiuesish tani sugjerojnë se vrimat e zeza të shkaktuara nga drita nuk janë të mundura në fund të fundit, sepse efektet kuantike-mekanike shkaktojnë rrjedhje të tepërt të energjisë që shembja të vazhdojë.

Dendësia ekstreme e masës së prodhuar nga një yll i shembur mund ta lakojë hapësirë-kohën aq ashpër sa asnjë dritë që hyn në rajon nuk mund të shpëtojë. Formimi i një vrime të zezë nga drita është i mundur sipas relativitetit të përgjithshëm sepse masa dhe energjia janë ekuivalente, kështu që energjia në një fushë elektromagnetike mund të lakojë edhe hapësirë-kohën. Vrimat e zeza elektromagnetike putative janë bërë të njohura gjerësisht si kugelblitze, gjermanisht për “rrufe topi”, pas terminologjisë së përdorur nga fizikani i Universitetit Princeton John Wheeler në studimet e hershme të fushave gravitacionale të gjeneruara elektromagnetikisht në vitet 1950.

Kugelblitze janë futur më parë në listën e teorive spekulative që përshkruajnë fenomene fizike ekzotike duke filluar nga lënda e errët deri te censura kozmike— hipoteza se singulariteti brenda një vrime të zezë nuk është kurrë i dukshëm. Vrimat e zeza të shkaktuara nga drita madje janë propozuar si një mjet për propulsion për anijet yjore. Por ka mbetur pyetja: A janë vërtet të mundura?

Problemi është se pikat e forta të fushës elektromagnetike që mendohet se janë të nevojshme do të gjeneronin shumë grimca kuantike, pasi fotonet shumë të përqendruara mund të shpërbëhen spontanisht në çiftet elektron-pozitron në një proces të quajtur efekti Schwinger. Këto grimca, të përshpejtuara nga fusha intensive elektromagnetike, pastaj do të rrjedhin nga rajoni, duke transportuar energji.

Çështja është atëherë nëse kolapsi gravitacional do të ishte ende i mundur apo nëse humbja e energjisë që rezulton nga efekti Schwinger do ta minonte atë. Fizikani matematik José Polo-Gómez i Universitetit të Waterloo në Kanada dhe kolegët e tij kanë kryer llogaritje për të parë se në cilën mënyrë këshillat e bilancit.

Kjo është intensive. Jashtë dhomës së synuar (sfera blu) në Objektin Kombëtar të Ndezjes në Laboratorin Kombëtar Lawrence Livermore në Kaliforni, ku disa nga laserët më të shndritshëm në botë përdoren për të ndezur shkurtimisht fuzionin bërthamor. Laserët e ardhshëm që janë edhe më intensivë do të pritej të stimulonin krijimin spontan dhe emetimin e elektroneve dhe pozitroneve— proces ky që në fund do të parandalonte fushat elektromagnetike shumë të forta nga formimi i një vrime të zezë.

Sasia e energjisë elektromagnetike që duhet të përqendrohet brenda një vëllimi sferik të caktuar për të formuar një kugelblitz llogaritet lehtësisht nga relativiteti i përgjithshëm, dhe kjo varet nga rrezja, shpejtësia e dritës dhe konstantja gravitacionale. Pjesa më e vështirë e problemit është të vlerësohet shpërbërja e energjisë nga efekti Schwinger- në veçanti, se si koha për ikjen e grimcave krahasohet me kohën e shembjes së vrimës së zezë.

Një nga sfidat kryesore është llogaritja e mënyrës se si ky prodhim grimcash ushqehet përsëri në vetvete, sepse grimca të tilla gjenerojnë fusha elektrike që ndikojnë në krijimin e më shumë grimcave. Dhe për shkak se efekti Schwinger është më shumë se thjesht një korrigjim i vogël i llogaritjeve për formimin e vrimave të zeza, “shumë nga mjetet e zakonshme për teorinë e fushës kuantike nuk janë të dobishme këtu,” thonë Polo-Gómez dhe kolegët në një deklaratë të përbashkët. Si rezultat, studiuesit duhej të bënin disa supozime dhe përafrime thjeshtuese dhe pastaj duhej të tregonin se këto zgjedhje nuk ndikonin në përfundimet e tyre.

Polo-Gómez dhe kolegët zbulojnë se efekti Schwinger me të vërtetë shpërbën energjinë e fushës elektromagnetike përpara se një kugelblitz të mund të formohet për të gjitha madhësitë midis 10⁻²⁹ dhe 10⁸ m. Shkallët më të vogla të gjatësisë i afrohen gjatësisë Planck, shkalla në të cilën teoria e fushës kuantike prishet, ndërsa në shkallë më të madhe asnjë proces i njohur në Univers nuk do të ishte aq energjik sa të bënte vrima të zeza nga drita. “Ne besojmë se rezultatet tona zgjidhin debatin,” thonë Polo-Gómez dhe kolegët. “Ndërsa do të ishte shkencërisht e mrekullueshme nëse do të mund të krijonim vrima të zeza mikroskopike duke përdorur laserë shumë intensivë, kërkimet tona tregojnë se kjo nuk është e mundur.”

«Rezultatet më duken bindëse»,—thotë Silvia Pla Garsia, eksperte në teorinë e fushës kuantike dhe gravitacionin në King’s College london. Ajo shton se përafrimet e kërkuesve duken të gjitha të arsyeshme. “Puna është emocionuese nga pikëpamja teorike sepse është një shembull se si mund të jenë gjërat e ndryshme kur konsiderohen efektet kuantike,” thotë ajo. Ajo vë në dukje se kjo pyetje është debatuar prej kohësh për vrimat e zeza konvencionale, të cilat parashikohen të avullojnë ngadalë për shkak të prodhimit të çifteve pranë sipërfaqeve të tyre. Fizikani teorik Reinhard Alkofer i Universitetit të Grazit në Austri pranon se rezultatet janë bindëse, edhe pse ai shton se ekspertë të tjerë kanë kohë që dyshojnë se efektet kuantike do të dëmtojnë kugelblitze.

Polo-Gómez dhe kolegët thonë se edhe nëse llogaritjet e tyre nuk mund të verifikohen eksperimentalisht, krijimi i parashikuar i çifteve të grimcave nga efekti Schwinger mund të vërehet potencialisht. Laserët me intensitet më të lartë gjenerojnë forca të fushës elektrike vetëm 1000 herë më të dobët se pragu për krijimin e grimcave të tilla, thonë ata, kështu që laserët e ardhshëm mund të jenë në gjendje të gjenerojnë efektin.

-Philip Ball

Philip Ball është shkrimtar shkencor freelance në Londër. Libri i tij i fundit është How Life Works (Picador, 2024).

• Referencat

1. A. Álvarez-Domínguez et al., “No black holes from light,” Phys. Rev. Lett. 133, 041401 (2024).
2. J. M. M. Senovilla, “Black hole formation by incoming electromagnetic radiation,” Classical Quantum Gravity 32, 017001 (2014).
3. J. A. Wheeler, “Geons,” Phys. Rev. 97, 511 (1955).

–

Burimi> nga

1. Physics – Black Holes Can’t Be Created by Light ↩︎