A gömbvillámok cáfolták meg Einstein relativitáselméletét

Új elméleti kutatások szerint lehetetlen fekete lyukat létrehozni pusztán fényrészecskék energiájával, ami lyukat üt Einstein általános relativitáselméletébe.

Egy új kutatás azt sugallja, hogy a gömbvillám néven ismert szélsőséges objektumok lehetetlenek az univerzumban, ami megkérdőjelezi Einstein általános relativitáselméletét. A felfedezés jelentős korlátokat állít a kozmológiai modelleknek, és bemutatja, hogy a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet hogyan egyeztethető össze összetett tudományos kérdések megoldása érdekében.

De lépjünk egyet vissza

A fekete lyukak olyan erős gravitációs erővel bírnak, hogy még a fény sem tud kiszabadulni a markukból, magyarázza a NASA. Jellemzően nagy tömegű csillagok összeomlásából keletkeznek életciklusuk végén, amikor a magjukban lezajló termonukleáris reakciókból származó nyomás már nem tudja ellensúlyozni a gravitációs erőt.

Fekete lyuk. Forrás: Wikimedia Commons

Vannak azonban egzotikusabb hipotézisek a fekete lyukak kialakulásával kapcsolatban. Az egyik ilyen elmélet egy gömbvillám létrehozását foglalja magában.

„A gömbvillám egy feltételezett fekete lyuk, amely ahelyett, hogy a közönséges anyag összeomlásából keletkezne, hatalmas mennyiségű elektromágneses sugárzás, például fény koncentrálódásából jön létre” – mondta a társszerző, José Polo-Gómez, a Waterloo Egyetem és a kanadai Perimeter Institute for Theoretical Physics fizikusa e-mailben a Live Science-nek.

Anyagmentes gömbvillám

Einstein általános relativitáselméletében az energia felelős a téridő görbületeinek létrehozásáért, amelyek gravitációs vonzerőt eredményeznek. Bár a fénynek nincs tömege, dec energiát hordoz. Ezért elméletben lehetséges, hogy a fény fekete lyukakat hozzon létre.

Az általános relativitáselmélet azonban nem veszi figyelembe a kvantumjelenségeket – a kettő összeegyeztetése a fizika máig legnagyobb megfejtetlen rejtélye. A kvantumfizika lehetséges hatását a gömbvillám kialakulására Polo-Gómez és munkatársai a Schwinger-effektus felől vizsgálták.

„Amikor hihetetlenül intenzív elektromágneses energia van – például a hatalmas fénykoncentráció miatt –, ennek az energiának egy része anyaggá alakul át elektron-pozitron párok formájában” – írja Álvaro Álvarez-Domínguez, a madridi Universidad Complutense Részecske- és Kozmoszfizika Intézetének (IPARCOS) kutatója. „Ez egy kvantumhatás, az úgynevezett Schwinger-effektus. Vákuumpolarizációnak is nevezik.”

Letesztelték az elméletet

A Physical Review Letters folyóiratban publikálásra elfogadott tanulmányukban a csapat kiszámította, hogy az elektromágneses térben létrejövő elektron-pozitron párok milyen ütemben használnák ki az energiát. Ha ez a sebesség meghaladja az elektromágneses mező energiájának feltöltődési sebességét egy adott tartományban, akkor nem tud gömbvillám kialakulni.

A csapat megállapította, hogy a tiszta fény még a legszélsőségesebb körülmények között sem érheti el a fekete lyuk kialakulásához szükséges energiaküszöböt.

Kvantum plazma gömb. Forrás: Wikimedia Commons

„Amit bebizonyítunk, az az, hogy a gömbvillámot lehetetlen a fény koncentrálásával sem mesterségesen, sem laboratóriumban, sem természetesen előforduló asztrofizikai forgatókönyvek szerint kialakítani” – mondta Luis J. Garay, a tanulmány társszerzője, aki szintén az IPARCOS munkatársa.

Ennek a megállapításnak mélyreható elméleti vonatkozásai vannak, jelentősen korlátozva a gömbvillám létezését feltételező asztrofizikai és kozmológiai modelleket. Emellett minden reményt megsemmisít a fekete lyukak laboratóriumi körülmények közötti kísérleti tanulmányozásával azáltal, hogy elektromágneses sugárzással hozza létre őket.

Ideális új irányzat

Mindazonáltal a tanulmány pozitív eredménye azt mutatja, hogy a kvantumhatások hatékonyan integrálhatók a gravitációval kapcsolatos problémákba, így egyértelmű válaszokat adva aktuális tudományos kérdésekre.

„Elméleti szempontból ez a munka bemutatja, hogy a kvantumhatások milyen fontos szerepet játszhatnak az asztrofizikai objektumok kialakulásának és megjelenésének megértésében” – mondta Polo-Gómez.

„Sokan közülünk nagyon érdekeltek a kvantumanyag gravitációs tulajdonságainak tanulmányozásának folytatása iránt, különösen olyan esetekben, amikor ez a kvantumanyag sérti a hagyományos energiafeltételeket” – mondta Eduardo Martín-Martínez, a Waterloo Egyetem és a Perimeter Institute munkatársa. „Az ilyen típusú kvantumanyag elvileg egzotikus téridőket idézhet elő, ami olyan hatásokat eredményezhet, mint a taszító gravitáció, vagy olyan egzotikus megoldásokat hoz létre, mint az Alcubierre lánchajtás vagy átjárható féreglyukak.”

Ez is érdekelhet:

• Az idő gyorsabban telik a Holdon – most tudjuk, mennyivel
• LHS 1140b: A JWST a Földhöz hasonló légkör jeleit fedezte fel a legjobb alternatív bolygó körül