都說(shuō)黑洞“一毛不拔” 科學(xué)家卻想從中“榨取”能量

　　提起黑洞，人們第一時(shí)間想到的往往是其能夠吞噬一切的巨大引力。想象一下，如果在星際旅行時(shí)遭遇黑洞，將是一件多么恐怖、絕望的事情。然而，對這個(gè)連光也無(wú)法逃脫的“魔窟”，科學(xué)家們卻想要從中“榨取”能量，為我所用。

　　近期，一個(gè)國際研究團隊通過(guò)物理實(shí)驗，嘗試著(zhù)去解答這個(gè)困擾科學(xué)家半個(gè)多世紀的問(wèn)題——我們可以從黑洞中獲取能量嗎？該研究成果近期發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上。

　　50年前就有大膽猜想

　　1969年，英國數學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯提出了一個(gè)從黑洞中獲取能量的大膽猜想，被稱(chēng)為“彭羅斯過(guò)程”。

　　黑洞其實(shí)是個(gè)大家族，可根據不同的分類(lèi)標準分成多種類(lèi)型。如果根據黑洞的3個(gè)參量——質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷分類(lèi)，可將其分為4類(lèi)，即史瓦西黑洞，不帶電荷且不旋轉；萊斯納黑洞，帶有電荷但不旋轉；克爾黑洞，旋轉但不帶電荷；克爾一紐曼黑洞，既帶電荷也會(huì )旋轉。彭羅斯過(guò)程針對的就是后面兩類(lèi)黑洞，即旋轉的黑洞。

　　“彭羅斯過(guò)程是通過(guò)將一個(gè)物體丟入黑洞的能層來(lái)獲取能量。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員茍利軍在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

　　能層是旋轉黑洞的特有結構，位于黑洞的邊界——事件視界之外的一種結構。能層具有一個(gè)令人驚奇的特性，能層中可以存在負能量的粒子，這種負能量的粒子與黑洞轉動(dòng)方向相反。茍利軍解釋說(shuō)，彭羅斯過(guò)程中，被扔進(jìn)能層的物體或粒子在某些條件下被一分為二，一部分被黑洞吸進(jìn)去，而另一部分則逃脫了黑洞。能量是守恒的，鑒于能層的特性，如果被吸收的物質(zhì)能量為負，逃逸的物質(zhì)能量則會(huì )比初時(shí)更高。這就意味著(zhù)，我們從黑洞中獲取了能量。

　　“彭羅斯過(guò)程提取的能量來(lái)源于黑洞的轉動(dòng)能。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系教授袁業(yè)飛在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示，逃逸的物質(zhì)能量增加，黑洞的能量必然減少，實(shí)際上就是黑洞的旋轉速度慢了下來(lái)，轉動(dòng)能有所損失。可以預判，被吸入的物質(zhì)旋轉方向必然會(huì )與黑洞的旋轉方向相反。

　　黑洞不是實(shí)驗室里的小白鼠，無(wú)法簡(jiǎn)單“抓”來(lái)一個(gè)仔細研究。因此，彭羅斯過(guò)程始終是個(gè)猜想，沒(méi)有人敢斷言這個(gè)瘋狂的想法是否真能實(shí)現。

　　1971年，即彭羅斯過(guò)程提出2年后，蘇聯(lián)物理學(xué)家澤爾道維奇提出了一種可能的檢驗方法。他建議用能夠吸收能量的材料制成圓柱體，模擬旋轉的黑洞，再向其發(fā)射光波。他預言光波會(huì )被圓柱體“放大”，即轉動(dòng)的金屬圓柱體吸收負能量的光波，撞擊圓柱體后出射光波頻率會(huì )增加，輻射總能量增加，即所謂的超輻射。

　　然而，現有條件的限制又一次給科學(xué)家潑了一盆冷水。

　　“如果要達到這一效果，必須讓圓柱體旋轉的速率足夠大，至少應與入射光波頻率數值相當。”袁業(yè)飛進(jìn)一步解釋?zhuān)獠ǖ念l率一般在兆赫茲(MHz)或吉赫茲(GHz)。這意味著(zhù)圓柱體一秒內要轉動(dòng)100萬(wàn)圈甚至10億圈，這是現實(shí)中的機械馬達無(wú)法實(shí)現的。

　　在此次最新研究中，研究人員巧妙地利用聲波代替光波，模擬了這一實(shí)驗，輻射的聲波果然被“放大”，增加的能量多達30%以上。袁業(yè)飛告訴記者，這是由于聲波的頻率范圍廣，研究人員可以選用遠比光波頻率低的低頻聲波，如此“黑洞替代品”的轉速就能降到人為可實(shí)現的速度。

　　“該研究實(shí)際上模擬的是彭羅斯過(guò)程背后的物理本質(zhì)，并不代表彭羅斯過(guò)程真能實(shí)現。因為黑洞離我們很遙遠，無(wú)法在現有條件下用黑洞做實(shí)驗去驗證。”袁業(yè)飛表示。

　　正如研究人員所說(shuō)，他們的研究成果并沒(méi)有使人類(lèi)在從旋轉黑洞中提取能量的道路上更進(jìn)一步。

　　“榨取”能量有兩種方案

　　好奇心和想象力是推動(dòng)科學(xué)發(fā)展的一雙翅膀。雖然目前彭羅斯過(guò)程尚無(wú)法驗證，但這絲毫不能阻擋科學(xué)家對“榨取”黑洞能量的執著(zhù)追求。

　　“目前學(xué)者們提出了兩種思路。”袁業(yè)飛說(shuō)。

　　一種是提取黑洞的轉動(dòng)能。當然，這一思路針對的是旋轉黑洞。根據能量守恒定律，如果我們從中成功獲取能量，黑洞的轉速將會(huì )降低，損失一部分轉動(dòng)能，就如彭羅斯過(guò)程一般。

　　另一種思路是提取黑洞的引力勢能。這一思路對黑洞的類(lèi)型沒(méi)有要求，因為所有黑洞都具有巨大的引力。日常生活中，如果從高樓上扔下一個(gè)物體，物體的速度將越來(lái)越快，這是重力勢能轉變?yōu)槲矬w動(dòng)能的常見(jiàn)例子。黑洞也是如此，如果將處于等離子體態(tài)的氣體扔到黑洞里面，隨著(zhù)距離黑洞越來(lái)越近，氣體的運動(dòng)速度也會(huì )越來(lái)越快，等離子體中粒子相互碰撞，從而熱化，輻射出攜帶能量的光子。這種能量提取的過(guò)程，實(shí)際上是黑洞的引力能轉化為物體的動(dòng)能，再轉化為熱能，將能量從黑洞中“搬運”出來(lái)。這就是我們通常所知道的黑洞周?chē)e盤(pán)輻射的能量來(lái)源。

　　袁業(yè)飛補充道，據估計，黑洞引力能的能量提取率約為5.7%。可別以為這樣的效率很低，要知道目前人們從核聚變中提取的能量?jì)H有0.7%。根據愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，1克物質(zhì)通過(guò)黑洞的引力能轉換后，獲取的能量理論上要高出其靜止質(zhì)量對應能量的5.7%，這一數值極為可觀(guān)。

　　而對于提取黑洞轉動(dòng)能這一思路，其能量提取率則可高達43%左右。

　　未來(lái)或成星際旅行“充電站”

　　“浩瀚的宇宙中，黑洞數不勝數。此前有科學(xué)家估算過(guò)，質(zhì)量大于10倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞數目應該超過(guò)1億個(gè)。如果能將這些黑洞都改造成能源‘補給站’，將是件非常震撼的事情。”茍利軍感慨道。

　　想象一下，漫長(cháng)的星際旅行中，人們正因燃料告罄而瀕臨絕望時(shí)，突然發(fā)現附近就有一個(gè)黑洞。今時(shí)的恐懼屆時(shí)將化為滿(mǎn)腔歡喜——能源問(wèn)題迎刃而解，宇宙飛船“滿(mǎn)血復活”，向著(zhù)更深的太空和更多的未知進(jìn)發(fā)！

　　然而，理想很豐滿(mǎn)，現實(shí)卻很骨感。目前由于諸多現實(shí)條件的限制，只能讓“黑洞能源站”的設想停留在科幻的世界里。

　　首先，“我們還不具備能夠仔細觀(guān)測黑洞的高分辨率望遠鏡。如果連觀(guān)測對象的本質(zhì)都沒(méi)有搞清楚，談何利用。”茍利軍說(shuō)。

　　“黑洞距離我們十分遙遠，利用這一遙遠的天體‘發(fā)電’，目前還只是個(gè)概念，我們很難設計一個(gè)具體的方法和過(guò)程。”袁業(yè)飛坦言。

　　不過(guò)，未來(lái)總是充滿(mǎn)未知，正如人們古代的飛翔夢(mèng)已經(jīng)在現代成為了現實(shí)。“很多時(shí)候，科幻會(huì )為科學(xué)埋下一顆種子，我們期待著(zhù)它能在未來(lái)生根發(fā)芽。”茍利軍說(shuō)。