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(tuán)隊(duì)通過物理實(shí)驗(yàn)，嘗試著去解答這個(gè)困擾科學(xué)家半個(gè)多世紀(jì)的問題——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(shù)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，被稱為“彭羅斯過程”。

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

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

能層是旋轉(zhuǎn)黑洞的特有結(jié)構(gòu)，位于黑洞的邊界——事件視界之外的一種結(jié)構(gòu)。能層具有一個(gè)令人驚奇的特性，能層中可以存在負(fù)能量的粒子，這種負(fù)能量的粒子與黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。茍利軍解釋說，彭羅斯過程中，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(fù)，逃逸的物質(zhì)能量則會(huì)比初時(shí)更高。這就意味著，我們從黑洞中獲取了能量。

“彭羅斯過程提取的能量來源于黑洞的轉(zhuǎn)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(bào)記者采訪時(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(zhuǎn)速度慢了下來，轉(zhuǎn)動(dòng)能有所損失?？梢灶A(yù)判，被吸入的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)方向必然會(huì)與黑洞的旋轉(zhuǎn)方向相反。

黑洞不是實(shí)驗(yàn)室里的小白鼠，無法簡單“抓”來一個(gè)仔細(xì)研究。因此，彭羅斯過程始終是個(gè)猜想，沒有人敢斷言這個(gè)瘋狂的想法是否真能實(shí)現(xiàn)。

1971年，即彭羅斯過程提出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(yàn)方法。他建議用能夠吸收能量的材料制成圓柱體，模擬旋轉(zhuǎn)的黑洞，再向其發(fā)射光波。他預(yù)言光波會(huì)被圓柱體“放大”，即轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓柱體吸收負(fù)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(xiàn)有條件的限制又一次給科學(xué)家潑了一盆冷水。

“如果要達(dá)到這一效果，必須讓圓柱體旋轉(zhuǎn)的速率足夠大，至少應(yīng)與入射光波頻率數(shù)值相當(dāng)。”袁業(yè)飛進(jìn)一步解釋，光波的頻率一般在兆赫茲(MHz)或吉赫茲(GHz)。這意味著圓柱體一秒內(nèi)要轉(zhuǎn)動(dòng)100萬圈甚至10億圈，這是現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械馬達(dá)無法實(shí)現(xiàn)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(yàn)，輻射的聲波果然被“放大”，增加的能量多達(dá)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(yuǎn)比光波頻率低的低頻聲波，如此“黑洞替代品”的轉(zhuǎn)速就能降到人為可實(shí)現(xiàn)的速度。

“該研究實(shí)際上模擬的是彭羅斯過程背后的物理本質(zhì)，并不代表彭羅斯過程真能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楹诙措x我們很遙遠(yuǎn)，無法在現(xiàn)有條件下用黑洞做實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。”袁業(yè)飛表示。

正如研究人員所說，他們的研究成果并沒有使人類在從旋轉(zhuǎn)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。雖然目前彭羅斯過程尚無法驗(yàn)證，但這絲毫不能阻擋科學(xué)家對“榨取”黑洞能量的執(zhí)著追求。

“目前學(xué)者們提出了兩種思路。”袁業(yè)飛說。

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

另一種思路是提取黑洞的引力勢能。這一思路對黑洞的類型沒有要求，因?yàn)樗泻诙炊季哂芯薮蟮囊?。日常生活中，如果從高樓上扔下一個(gè)物體，物體的速度將越來越快，這是重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w動(dòng)能的常見例子。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，隨著距離黑洞越來越近，氣體的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)越來越快，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。這種能量提取的過程，實(shí)際上是黑洞的引力能轉(zhuǎn)化為物體的動(dòng)能，再轉(zhuǎn)化為熱能，將能量從黑洞中“搬運(yùn)”出來。這就是我們通常所知道的黑洞周圍吸積盤輻射的能量來源。

袁業(yè)飛補(bǔ)充道，據(jù)估計(jì)，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僅有0.7%。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，1克物質(zhì)通過黑洞的引力能轉(zhuǎn)換后，獲取的能量理論上要高出其靜止質(zhì)量對應(yīng)能量的5.7%，這一數(shù)值極為可觀。

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

未來或成星際旅行“充電站”

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

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

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

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

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

不過，未來總是充滿未知，正如人們古代的飛翔夢已經(jīng)在現(xiàn)代成為了現(xiàn)實(shí)。“很多時(shí)候，科幻會(huì)為科學(xué)埋下一顆種子，我們期待著它能在未來生根發(fā)芽。”茍利軍說。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

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