都说黑洞“一毛不拔”,科学家却想从中“榨取”能量

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  提起黑洞,人们第一时间想到的往往是其能够吞噬一切的巨大引力。想象一下,如果在星际旅行时遭遇黑洞,将是一件多么恐怖、绝望的事情。然而,对这个连光也无法逃脱的“魔窟”,科学家们却想要从中“榨取”能量,为我所用。

  近期,一个国际研究团队通过物理实验,尝试着去解答这个困扰科学家半个多世纪的问题——我们可以从黑洞中获取能量吗?该研究成果近期发表在《自然物理学》期刊上。

  50年前就有大胆猜想

  1969年,英国数学物理学家罗杰·彭罗斯提出了一个从黑洞中获取能量的大胆猜想,被称为“彭罗斯过程”。

  黑洞其实是个大家族,可根据不同的分类标准分成多种类型。如果根据黑洞的3个参量——质量、角动量和电荷分类,可将其分为4类,即史瓦西黑洞,不带电荷且不旋转;莱斯纳黑洞,带有电荷但不旋转;克尔黑洞,旋转但不带电荷;克尔一纽曼黑洞,既带电荷也会旋转。彭罗斯过程针对的就是后面两类黑洞,即旋转的黑洞。

  “彭罗斯过程是通过将一个物体丢入黑洞的能层来获取能量。”中国科学院国家天文台研究员苟利军在接受科技日报记者采访时说。

  能层是旋转黑洞的特有结构,位于黑洞的边界——事件视界之外的一种结构。能层具有一个令人惊奇的特性,能层中可以存在负能量的粒子,这种负能量的粒子与黑洞转动方向相反。苟利军解释说,彭罗斯过程中,被扔进能层的物体或粒子在某些条件下被一分为二,一部分被黑洞吸进去,而另一部分则逃脱了黑洞。能量是守恒的,鉴于能层的特性,如果被吸收的物质能量为负,逃逸的物质能量则会比初时更高。这就意味着,我们从黑洞中获取了能量。

  “彭罗斯过程提取的能量来源于黑洞的转动能。”中国科学技术大学天文学系教授袁业飞在接受科技日报记者采访时表示,逃逸的物质能量增加,黑洞的能量必然减少,实际上就是黑洞的旋转速度慢了下来,转动能有所损失。可以预判,被吸入的物质旋转方向必然会与黑洞的旋转方向相反。

  黑洞不是实验室里的小白鼠,无法简单“抓”来一个仔细研究。因此,彭罗斯过程始终是个猜想,没有人敢断言这个疯狂的想法是否真能实现。

  1971年,即彭罗斯过程提出2年后,苏联物理学家泽尔道维奇提出了一种可能的检验方法。他建议用能够吸收能量的材料制成圆柱体,模拟旋转的黑洞,再向其发射光波。他预言光波会被圆柱体“放大”,即转动的金属圆柱体吸收负能量的光波,撞击圆柱体后出射光波频率会增加,辐射总能量增加,即所谓的超辐射。

  然而,现有条件的限制又一次给科学家泼了一盆冷水。

  “如果要达到这一效果,必须让圆柱体旋转的速率足够大,至少应与入射光波频率数值相当。”袁业飞进一步解释,光波的频率一般在兆赫兹(MHz)或吉赫兹(GHz)。这意味着圆柱体一秒内要转动100万圈甚至10亿圈,这是现实中的机械马达无法实现的。

  在此次最新研究中,研究人员巧妙地利用声波代替光波,模拟了这一实验,辐射的声波果然被“放大”,增加的能量多达30%以上。袁业飞告诉记者,这是由于声波的频率范围广,研究人员可以选用远比光波频率低的低频声波,如此“黑洞替代品”的转速就能降到人为可实现的速度。

  “该研究实际上模拟的是彭罗斯过程背后的物理本质,并不代表彭罗斯过程真能实现。因为黑洞离我们很遥远,无法在现有条件下用黑洞做实验去验证。”袁业飞表示。

  正如研究人员所说,他们的研究成果并没有使人类在从旋转黑洞中提取能量的道路上更进一步。

  “榨取”能量有两种方案

  好奇心和想象力是推动科学发展的一双翅膀。虽然目前彭罗斯过程尚无法验证,但这丝毫不能阻挡科学家对“榨取”黑洞能量的执着追求。

  “目前学者们提出了两种思路。”袁业飞说。

  一种是提取黑洞的转动能。当然,这一思路针对的是旋转黑洞。根据能量守恒定律,如果我们从中成功获取能量,黑洞的转速将会降低,损失一部分转动能,就如彭罗斯过程一般。

  另一种思路是提取黑洞的引力势能。这一思路对黑洞的类型没有要求,因为所有黑洞都具有巨大的引力。日常生活中,如果从高楼上扔下一个物体,物体的速度将越来越快,这是重力势能转变为物体动能的常见例子。黑洞也是如此,如果将处于等离子体态的气体扔到黑洞里面,随着距离黑洞越来越近,气体的运动速度也会越来越快,等离子体中粒子相互碰撞,从而热化,辐射出携带能量的光子。这种能量提取的过程,实际上是黑洞的引力能转化为物体的动能,再转化为热能,将能量从黑洞中“搬运”出来。这就是我们通常所知道的黑洞周围吸积盘辐射的能量来源。

  袁业飞补充道,据估计,黑洞引力能的能量提取率约为5.7%。可别以为这样的效率很低,要知道目前人们从核聚变中提取的能量仅有0.7%。根据爱因斯坦质能方程,1克物质通过黑洞的引力能转换后,获取的能量理论上要高出其静止质量对应能量的5.7%,这一数值极为可观。

  而对于提取黑洞转动能这一思路,其能量提取率则可高达43%左右。

  未来或成星际旅行“充电站”

  “浩瀚的宇宙中,黑洞数不胜数。此前有科学家估算过,质量大于10倍太阳质量的黑洞数目应该超过1亿个。如果能将这些黑洞都改造成能源‘补给站’,将是件非常震撼的事情。”苟利军感慨道。

  想象一下,漫长的星际旅行中,人们正因燃料告罄而濒临绝望时,突然发现附近就有一个黑洞。今时的恐惧届时将化为满腔欢喜——能源问题迎刃而解,宇宙飞船“满血复活”,向着更深的太空和更多的未知进发!

  然而,理想很丰满,现实却很骨感。目前由于诸多现实条件的限制,只能让“黑洞能源站”的设想停留在科幻的世界里。

  首先,“我们还不具备能够仔细观测黑洞的高分辨率望远镜。如果连观测对象的本质都没有搞清楚,谈何利用。”苟利军说。

  “黑洞距离我们十分遥远,利用这一遥远的天体‘发电’,目前还只是个概念,我们很难设计一个具体的方法和过程。”袁业飞坦言。

  不过,未来总是充满未知,正如人们古代的飞翔梦已经在现代成为了现实。“很多时候,科幻会为科学埋下一颗种子,我们期待着它能在未来生根发芽。”苟利军说。

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