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那么我们也许可以更快地获取黑洞的能量

来源:华清棉鞋有限公司    时间:2018-08-15    点击:

  这个方法就像是在我们那杯可口而又危险的咖啡表面吹气一样。如果不加干预的话,绝大多数蒸发出来的水蒸气都将落回杯中,但从表面吹气,可以赶在水蒸气落回杯中之前把它们移走。这种方法的设想就是,通过剥离黑洞的热大气,我们可以快速地“享用”黑洞,把时间尺度从自然蒸发需要的m3量级缩短到m量级。
 
  然而,我最近的研究证明,这种设想是不可行的。这个结论并非源于对量子力学或者量子引力的深层思考。相反,这来自于最简单的考虑:你找不到足够结实的绳子。为了开发那层热大气,你需要在黑洞附近悬挂一根绳子——需要建造一部太空电梯。但是,我发现,要在黑洞附近建造任何实际有效的太空电梯都是不可能的。有朝一日,太空电梯能够将物质运送到地球以外。但是,我们能在黑洞附近建造一架足够结实的电梯吗?
 
  总有一天太阳会陨落,供其进行核聚变的燃料会耗尽,世界会变得阴冷。如果届时地球仍然健在,人类将会坠入永恒的严冬中。当可见宇宙范围内所有星系中的所有恒星的能源都会被消耗殆尽、没有任何剩余能源可用时,他们肯定会把目光投向最后的能量仓库:黑洞。我们的后代能从黑洞中获取能源,并延续我们的文明吗?
 
  乍看之下,从黑洞中提取能量或者其他任何东西都是不可能的。毕竟,黑洞被一个“事件视界”包围着,这是一个有去无回的球面,球面内的引力场会变得无限大。任何误入这个球面的东西都注定会毁灭。因此,一台抡着大铁球,企图从视界上破开一个洞,从而把能量释放出来的吊车不仅不会成功,自己反而会被破坏,连带着不幸的驾驶员一起被黑洞吞没。投入黑洞的炸弹非但不能摧毁黑洞,反而会让它变得更大,增加的量就等于炸弹的质量。进入到黑洞中的任何东西都无法出来:陨石不能,火箭不能,甚至光也不能。
 
  我们过去基本上就是这么认为的。但是,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在1974年发表的那篇让我最为震惊,也最为兴奋的物理学论文证明,我们过去的想法是错误的。在雅各布·贝肯斯坦(Jacob D。 Bekenstein,目前就职于耶路撒冷希伯来大学)的早期思想的基础上,霍金证明黑洞会泄漏出少量辐射。如果你掉入黑洞的话还是会死,不过,尽管你本人永远无法逃出来,但你的能量可以出来。这对于未来的黑洞能源开发者是一个好消息:能量是可以逃出来的。
 
  能量能够逃离出来的奥秘,隐藏在量子力学的神秘世界中。量子物理的一个标志性现象是,粒子可以穿过本不可能穿过的障碍。一个向着势垒(势能比周围高的区域,在经典物理范畴内,粒子的能量必须足够高才能从这个区域翻越过去)运动的粒子有时会出现在势垒的另一边。不要在家里尝试这种行为——将自己撞向一堵墙,你是不可能毫发无伤地出现在墙的另一边的。但是,微观粒子的隧穿效应就容易得多。
 
  量子隧穿是α粒子(一个氦核)能够挣脱放射性铀核的原因,也是霍金辐射能从黑洞中泄露出的原因。粒子挣脱事件视界并不是直接突破了那近乎无限强的引力场,而是通过量子隧穿实现的。(当然,没有人见过黑洞辐射。但这是将量子力学应用到弯曲时空所得到的令人信服的数学结果,任何人都不会怀疑的。)
 
  由于黑洞会发出辐射,我们也许就有希望获取它们的能量。但真正的困难在于细节方面。无论我们如何去尝试提取这些能量,都将困难重重。
 
  一个简单的方法就是等待。经过足够长的时间后,黑洞会一个光子一个光子地将自己的能量释放回宇宙中,进入我们等待的双手里。每损失一点能量,黑洞都会减小一点,直到最后消失不见。从这个意义上来说,黑洞就像一杯美味可口的咖啡,你不能接触它的表面,否则就会被引力撕裂。但仍然有一种办法可以享受到这杯危险的咖啡,那就是等着它蒸发,然后吸入蒸发出的气体。
 
  遗憾的是,虽然等待是一个简单的办法,但这个过程极其缓慢。黑洞非常黯淡,一个质量与太阳相等的黑洞,发出的辐射相当于温度低至60纳开尔文的黑体(也就是说,这个黑体的温度距离绝对零度只有0.00000006度)。20世纪80年代以前,我们还无法在实验室中将物体冷却到那样的低温。要使一个质量相当于太阳的黑洞完全蒸发掉,需要的时间无比漫长,是现今宇宙年龄的1057倍。一般来说,一个黑洞的寿命等于其质量的立方——m3。因此,我们浑身打颤的后代们必须要加快行事才行。
 
  有一个原因,可以让我们的后代保持乐观:并不是每一个挣脱了黑洞视界的粒子都会逃逸到无穷远的地方。实际上,几乎没有粒子能跑出那么远。差不多所有通过隧穿效应穿过事件视界的粒子很快就会再次被引力场俘获,然后被黑洞回收。如果我们能用某种方法,将这些光子从黑洞的束缚中夺取过来,在它们已脱离视界但还没被再次俘获时将它们营救出来,那么我们也许可以更快地获取黑洞的能量。
 
  要知道怎样夺取这些光子,首先必须研究黑洞附近的那些极端作用力。之所以绝大多数的粒子会被黑洞重新俘获,是因为它们并不是笔直射出的。试想,紧贴着黑洞的视界向外发射一束激光。为使激光能够逃脱出去,你必须对准正上方发射,离视界越近就更要对准正上方。那里的引力场实在太强,只要稍微偏离方向,光线就会绕一个圈子落回到黑洞中。
 
  如果粒子偏离垂直方向,由此产生的旋转速度反而不利于粒子逃离,这可能听起来很奇怪。毕竟,就是轨道速度提供的离心力抵消了引力,才使得国际空间站能够悬在空中。然而,当过于接近黑洞的时候,形势发生了逆转——旋转速度会阻碍物体逃离。这种效应是广义相对论的结果,根据广义相对论,引力会作用于所有的物质和能量——不仅是静质量,也包含轨道动能。当靠近黑洞时(更确切地说是在事件视界半径的1.5倍以内),轨道动能所带来的吸引力大于离心排斥力。在这个半径之内,旋转速度越大,粒子就会越快落入黑洞。
 
  这个效应表明,如果你沿着绳索向黑洞表面下降,很快你就会感到非常热。你将同时沐浴在两类光子中。一类是将会逃到无限远处,成为“霍金辐射”的光子,还有一类是那些不能逃出去的光子。黑洞有一层“热大气”,离事件视界越近就越热。而热就意味着携带着能量。
 
  事件视界之外储存着能量,这让科学家想到了一个非常巧妙的办法来获取黑洞能量:我们可以接近黑洞,采集那里的热大气然后运出去,通过这种方式来开采黑洞能量。把一个盒子悬挂到黑洞视界附近,但不要穿过视界,装满热气体后拽出来。采集到的气体中有一部分本来可以自己逃出去,就是“霍金辐射”,但是绝大部分气体如果没有我们的干预,最终注定会掉回黑洞。(一旦那些气体离开了事件视界附近,将它们运回地球就非常容易了:简单的打包,放到火箭上运回家或者将气体的能量转变成激光发射回去。)
 
  

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