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从黑洞提取能量靠谱吗?

[2015-08-14] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 次 分享到_微信朋友圈:
  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。为了生存,我们的后代需要另谋出路——也许,他们首先会耗尽地球的能源,然后是太阳系的,最终,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。当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?
从黑洞提取能量靠谱吗?

  这篇文章中,我带来了一些坏消息。这样的计划是行不通的。原因要归咎于量子弦这种奇异实体的物理特性,以及科幻小说一直钟爱的太空电梯。

  虚幻的希望

  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10^57倍。一般来说,一个黑洞的寿命等于其质量的立方——m^3。因此,我们浑身打颤的后代们必须要加快行事才行。
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