撰文?亞當(dāng)·布朗（Adam Brown）?

亞當(dāng)·布朗是美國斯坦福大學(xué)的理論物理學(xué)家，研究對(duì)象包括黑洞、大爆炸和“虛無之泡”。

翻譯 姜小柱

虛幻的希望

乍看之下，從黑洞中提取能量或其他任何物質(zhì)都是不可能的。黑洞似乎被一個(gè)“事件視界”包圍著，這是一個(gè)有去無回的球面，球面內(nèi)的引力場會(huì)變得無限大，任何誤入這個(gè)球面的東西都將被毀滅。因此，投入黑洞的炸彈非但不能摧毀黑洞，反而會(huì)讓它變得更大，增加的量就等于炸彈的質(zhì)量。

但是，斯蒂芬·霍金在1974年發(fā)表論文證明黑洞會(huì)泄漏出少量輻射。如果你掉入黑洞，盡管你本人永遠(yuǎn)無法逃出來，但你的能量可以出來。這對(duì)于未來的黑洞能源開發(fā)者是一個(gè)好消息：能量是可以逃出來的。

能量能夠逃離出來的奧秘隱藏在量子力學(xué)的神秘世界中。量子物理的一個(gè)標(biāo)志性現(xiàn)象是：粒子可以穿過本不可能穿過的障礙。一個(gè)向著勢壘（勢能比周圍高的區(qū)域，在經(jīng)典物理范疇內(nèi)，粒子的能量必須足夠高才能從這個(gè)區(qū)域翻越過去）運(yùn)動(dòng)的粒子有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在勢壘的另一邊。量子隧穿是α粒子（一個(gè)氦核）能夠掙脫放射性鈾核的原因，也是霍金輻射能從黑洞中泄露出的原因。粒子掙脫事件視界并不是直接突破了那近乎無限強(qiáng)的引力場，而是通過量子隧穿實(shí)現(xiàn)的。

由于黑洞會(huì)發(fā)出輻射，科學(xué)家有希望獲取到它們的能量。但真正的難題在于細(xì)節(jié)方面，無論科學(xué)家如何去嘗試提取這些能量都將困難重重。

一個(gè)簡單的方法就是等待。經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，黑洞會(huì)將自己的能量釋放回宇宙中，每損失一點(diǎn)能量，黑洞都會(huì)減小一點(diǎn)，直到最后消失不見。遺憾的是，這個(gè)過程極其緩慢。要使一個(gè)質(zhì)量與太陽相等的黑洞完全蒸發(fā)掉，需要無比漫長的時(shí)間，相當(dāng)于現(xiàn)今宇宙年齡的1057倍。

開采“黑洞大氣”

并不是每一個(gè)掙脫了黑洞視界的粒子都會(huì)逃逸到無窮遠(yuǎn)的地方。差不多所有通過隧穿效應(yīng)穿過事件視界的粒子很快會(huì)再次被引力場俘獲，然后被黑洞回收。如果利用某種方法將這些光子從黑洞的束縛中奪取過來，在它們已脫離視界但還沒被再次俘獲時(shí)將它們營救出來，也許可以更快地獲取黑洞的能量。

要知道怎樣奪取這些光子，首先必須研究黑洞附近的那些極端作用力。之所以絕大多數(shù)的粒子會(huì)被黑洞重新俘獲，是因?yàn)樗鼈儾⒉皇枪P直射出的。當(dāng)粒子過于接近黑洞的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)速度會(huì)阻礙物體逃離。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力會(huì)作用于所有的物質(zhì)和能量——不僅是靜質(zhì)量，也包含軌道動(dòng)能。當(dāng)靠近黑洞時(shí)（更確切地說是在事件視界半徑的1.5倍以內(nèi)），軌道動(dòng)能所帶來的吸引力大于離心排斥力。在這個(gè)半徑之內(nèi)，旋轉(zhuǎn)速度越大，粒子就會(huì)越快落入黑洞。

事件視界之外儲(chǔ)存著能量，這讓科學(xué)家想到了一個(gè)非常巧妙的辦法來獲取黑洞能量：我們可以接近黑洞，采集那里的熱大氣然后運(yùn)出去，通過這種方式來開采黑洞能量。然而，本文作者亞當(dāng)·布朗通過最近的研究證明這種設(shè)想是不可行的。這個(gè)結(jié)論并非源于對(duì)量子力學(xué)或量子引力的深層思考，而是來自最簡單的考慮：我們找不到足夠結(jié)實(shí)的繩子。為了開發(fā)那層熱大氣，你需要在黑洞附近懸掛一根繩子——建造一部太空電梯。但布朗發(fā)現(xiàn)，要在黑洞附近建造任何實(shí)際有效的太空電梯都是不可能的。

建造太空電梯

太空電梯（有時(shí)也被稱作“天鉤”）是幻想中的未來交通工具，因出現(xiàn)在科幻小說家亞瑟·C·克拉克（Arthur C. Clarke）1979年的小說 《天堂的噴泉》中而為人熟知。克拉克設(shè)想，讓一根繩索懸掛在外太空并一直垂到地球表面。這根繩索不是由來自下方的推力所支撐，而是由來自上方的拉力拉著。繩索的遠(yuǎn)端系在一個(gè)巨大的、沿著同步靜止軌道外圍緩慢運(yùn)行的物體上，這個(gè)物體向外拽著繩索，讓整個(gè)裝置保持懸浮。繩索的底端垂到地球的表面，由于各種力的平衡，就像用了魔法的力量一樣靜止在那里。

由于有那根繩索的存在，向軌道上運(yùn)輸貨物會(huì)變得非常容易。我們不再需要火箭，取而代之的是附著在繩索上的以電力驅(qū)動(dòng)的電梯。這樣一來，將物品送到太空的費(fèi)用將會(huì)比搭載航天飛機(jī)大大降低。

建造一個(gè)太空電梯需要克服艱巨的技術(shù)難題，其中最困難的是要找到一種適合做繩索的材料。理想的材料需要既輕又結(jié)實(shí)——結(jié)實(shí)就不會(huì)在拉力的作用下伸長或斷裂，輕就不會(huì)讓上方的繩索負(fù)擔(dān)過重。鋼材的強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。鋼材的自身強(qiáng)度太重，所以從靠近地表一端開始，每隔幾千米，鋼索的半徑就必須加倍。遠(yuǎn)在到達(dá)同步靜止軌道的高度之前，繩索就已經(jīng)粗到不切實(shí)際的程度了。但我們還有值得期待的新型材料。碳納米管是碳原子組成的長帶，它的強(qiáng)度是鋼材的1000倍，是建造太空電梯的完美候選者。但如何才能把納米管編制成數(shù)萬千米長的繩子也是個(gè)必須解決的問題。

弦：最結(jié)實(shí)的繩子

在黑洞周圍，問題顯然會(huì)變得更加困難。那里的引力場更強(qiáng)，在地球附近可行的辦法到了那里就會(huì)失效。

目前已經(jīng)證明，即使借助碳納米管建造一個(gè)可以抵達(dá)黑洞視界附近的太空電梯也是不可行的。承載這種電梯的碳納米管繩索要么在靠近黑洞的一端會(huì)細(xì)到能被一個(gè)“霍金輻射”光子破壞，要么在遠(yuǎn)離黑洞的一端會(huì)由于太粗而在自身引力作用下坍縮，自己變成一個(gè)黑洞。

因此，我們將期待材料科學(xué)家發(fā)明出越來越結(jié)實(shí)、越來越輕的材料，但這種進(jìn)步不會(huì)無限持續(xù)下去——它將面臨一個(gè)工程學(xué)的極限——材料的張力強(qiáng)度與重量之比是不可能無限增大的。

根據(jù)某些理論的猜想，有一種繩子材料能恰好達(dá)到這個(gè)極限，這意味著它是所有材料中最結(jié)實(shí)的。這種材料從未在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)過，有些科學(xué)家甚至懷疑它是否存在，但也有些科學(xué)家畢生都在致力研究它。這個(gè)自然界最結(jié)實(shí)的繩子也許永遠(yuǎn)也不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但它已經(jīng)有了自己的名字：弦。弦理論家認(rèn)為，弦是物質(zhì)最基本的組成成分。

弦很結(jié)實(shí)。一根和鞋帶一樣長、一樣重的弦可以吊起珠穆朗瑪峰。由于最艱巨的工程挑戰(zhàn)需要最結(jié)實(shí)的材料，如果科學(xué)家希望在黑洞周圍建造太空電梯，我最好的選擇就是弦。

然而，弦仍處在“足夠結(jié)實(shí)”的邊緣。一根用弦制作的繩子，如果懸掛在黑洞上方并垂到黑洞表面的話，它的強(qiáng)度恰好可以維系自身的重量，沒有余力再掛上電梯和貨物。這樣的繩子可以支撐它自身，但要以舍棄電梯轎廂為代價(jià)。這樣的事實(shí)意味著，黑洞是無法開發(fā)利用的。自然本身的規(guī)律限制了我們的建筑材料，即使有一根繩子可以到達(dá)黑洞稠密的熱大氣，我們也無法高效地采集能源。

由于我們不能運(yùn)動(dòng)得比光快，就無法突破黑洞的事件視界。由于我們無法從燃料中獲取多于mc2的能量，我們注定要將目光投向黑洞。但又由于繩子的強(qiáng)度不可能大于光速的平方乘以單位長度的質(zhì)量，我們又無法充分獲取黑洞的能量。

當(dāng)太陽消失以后，我們將生活在永恒的冬天中。我們也許會(huì)注意到黑洞熱大氣中儲(chǔ)藏的龐大能源，但獲取這樣的能源必須承擔(dān)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。如果過于急切或深入地向黑洞下手，非但不能從黑洞那里奪取輻射粒子，手里用來撈粒子的“箱子”反而會(huì)被黑洞奪走。

等待我們的，注定是個(gè)非常寒冷的冬天嗎？

 

本文由《環(huán)球科學(xué)》（《科學(xué)美國人》中文版）供稿，編者有刪改。

 

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從黑洞提取能量

圖文簡介

如果你掉入黑洞，盡管你本人永遠(yuǎn)無法逃出來，但你的能量可以出來。