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未来从黑洞中获取能量
布朗
总有一天太阳会因供其进行核聚变的燃料耗尽而陨落,如果届时地球仍然健在,人类将会坠入永恒的严冬中.我们的后代为了生存则需要另谋出路,也许他们首先会耗尽地球的能源,然后是太阳系以及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.
虚幻的希望
那我们的后代能从黑洞中获取能源来延续人类的文明吗？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,使得任何误入这个球面的东西都注定会毁灭,因此,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,而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.但斯蒂芬? 霍金在1974年发表的那篇让人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（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.尽管你掉入黑洞因无法逃出来会死,可你的能量可以出来,而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——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,粒子的能量要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.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.）
由于黑洞会发出辐射,我们也许就有希望获取它们的能量,但困难的是在于细节方面,无论我们如何提取这些能量都困难重重.一个简单的方法就是等待足够长的时间后,黑洞会将自己的能量一个光子一个光子地释放回宇宙中,进入我们等待的双手里.黑洞也会随着能量的损失,逐渐变小,直到最后消失不见,但遗憾的是这个等待过程是极其缓慢的.要使一个质量相当于太阳的黑洞完全蒸发掉,需要的时间是现今宇宙年龄的10 ～ 57 倍,因为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）.因此我们的后代无法等待下去,必须要加快行事才行.
开采“黑洞大气”
不过对人类来说还有乐观的一面：并不是每一个挣脱了黑洞视界的粒子都会逃逸到无穷远的地方,这是因为几乎差不多所有通过隧穿效应,穿过事件视界的粒子都很快就会再次被引力场俘获并被黑洞回收,因而人类或许能用某种方法将这些光子在黑洞束缚前夺取过来,也就是在它们脱离视界并且还没有被俘获之际,先将它们俘获,这样我们也许可以更快地获取黑洞的能量.但要知道怎样夺取这些光子,首先必须研究黑洞附近的那些极端作用力.之所以绝大多数的粒子会被黑洞重新俘获,是因为它们并不是笔直射出的.试想,紧贴着黑洞的视界向外发射一束激光.为使激光能够逃脱出去,你必须对准正上方发射,离视界越近就越要对准正上方,因为那里的引力场更强大,只要稍微偏离方向,光线就会绕一个圈子落回到黑洞中.
如果粒子偏离垂直方向,由此产生的旋转速度反而不利于粒子逃离,这可能听起来很奇怪.毕竟,就是轨道速度提供的离心力抵消了引力,才使得国际空间站能够悬在空中.然而,当过于接近黑洞的时候,旋转速度会阻碍物体逃离,这是广义相对论的结果,根据广义相对论,引力会作用于所有的物质和能量——不仅是静质量,也包含轨道动能.当靠近黑洞时（更确切地说是在事件视界半径的1.5 倍以内）,轨道动能所带来的吸引力大于离心排斥力.在这个半径之内,旋转速度越大,粒子就会越快落入黑洞.这个效应表明,如果向黑洞表面下降时很快就会感到非常热,这是因为你将同时沐浴在两类光子中：一类是将会逃到无限远处的“霍金辐射”光子,还有一类是不能逃出去的光子.
黑洞有一层“热大气”,离事件视界越近就越热,这让科学家想到了一个非常巧妙的办法来获取黑洞能量：我们可以采集那里的热大气然后运出去,通过这种方式来开采黑洞能量.采集到的气体中有一部分本来可以自己逃出去,但是绝大部分气体如果没有我们的干预,最终会掉回黑洞.（一旦那些气体离开了事件视界附近,将它们运回地球就非常容易了：简单的打包,放到火箭上运回家或者将气体的能量转变成激光发射回去.）这个方法就像是在我们有杯可口而又危险的咖啡表面吹气一样,如果不干预的话,绝大多数蒸发出来的水蒸气都将落回杯中,但从表面吹气时,就可以赶在水蒸气落回杯中之前把它们移走.这种设想就是通过剥离黑洞的热大气,可以快速地“享用”黑洞,把时间尺度从自然蒸发需要的m ^3 量级缩短到m 量级.
建造太空电梯
然而,目前的研究证明这种设想是不可行的,这个结论并非源于对量子力学或者量子引力的深层思考.相反,为了开发那层热大气,需要在黑洞附近建造一部太空电梯.但要在黑洞附近建造任何实际有效的太空电梯都是不可能的.太空电梯（有时也被称作天钩）是幻想中的未来交通工具,因出现在科幻小说家亚瑟? C ? 1979 年的小说《天堂的喷泉》中而为人熟知.设想将一根绳索悬挂在外太空并垂到地球表面.这跟绳索不是由来自下方的推力所支撑,而是由来自上方的拉力.绳索的远端系在一个巨大的、沿着同步静止轨道缓慢运行的物体上,这个物体向外拽着绳索,让整个装置保持悬浮.绳索的底端垂到地球的表面,由于各种力的平衡,就像用了魔法的力量一样静止在那里（曾说过,足够先进的科技无异于魔法）.
这种先进技术的关键是如果有那根绳索的存在,向轨道上运输货物会变得非常容易.我们不再需要危险、低效而又浪费的火箭为太空之旅运输燃料了,取而代之的是附着在绳索上电梯.这样一来,将货物运送到近地轨道的基本成本只是电费了,将1 千克物品送到太空的费用,将会从搭载航天飞机所需的数万美元降低到几美元——到太空的旅程将比坐一次地铁还便宜.
然而建造一架太空电梯需要克服艰巨的技术难题,而其中最困难的在于要找到适合的材料.理想的材料需要既轻又结实,而钢材的强度是远远不够的,除了承受下方货物的重量外,每段钢索还要承受它自身的重量,所以绳索从下往上必须越来越粗.相对于自身的强度而言,钢索从靠近地表一端开始,每隔几千米其半径就必须加倍.远在到达同步静止轨道的高度之前,绳索就已经粗到不切实际的程度了.用19世纪的材料建造太空电梯显然是不可能的了,但我们还有值得期待的、来自21 世纪的材料.碳纳米管是碳原子组成的长带,在它内部的碳原子排列成蜂巢一样的六边形格子.这种材料的强度是钢材的1000 倍,是建造太空电梯的候选者.可作为迄今为止最浩大的工程,制造太空电梯需要花费数十亿美元.而且,怎样才能把纳米管编制成数万米长的绳子也是个必须解决的问题,此外还有很多其他困难.但是,对于一个我这样的理论物理学家而言,一旦确认我们设想的构造不违反已知的物理规律,那么剩下的就只是工程学问题了.
弦：最结实的绳子
黑洞周围的问题显然会变得更加困难,这是因为那里的引力场更强,在地球附近可行的办法到了那里就会失效.即使借助碳纳米管那常被夸大的力量,要建造一个可以抵达黑洞视界附近的太空电梯也是不可行的.承载这种电梯的碳纳米管绳索要么在靠近黑洞的一端会细到能被一个“霍金辐射”光子破坏,要么在远离黑洞的一端会由于太粗而在自身引力作用下坍缩,自己变成一个黑洞,因而这些种种限制排除了碳纳米管.
但就如同铁器时代紧随着青铜器时代,碳纳米管某天将会取代钢铁那样,我们会期待材料科学家发明出越来越结实、越来越轻的材料,而他们确实也能做得到.但这种进步不能无限持续下去.这样的进步有一个工程学的极限,材料的张力强度与重量之比是不可能无限增大的,自然规律本身为其规定了一个极限.根据爱因斯坦的著名公式E等于mc^2,我们可以推导出这个让人吃惊的结论.绳子的张力告诉你要拉长绳子需要花费多少能量：绳子张力越大,为了使它伸长就需要消耗越多能量.一根橡皮筋之所以有张力是因为要使它伸长,就必须花费能量来重排它的分子：如果分子容易重排,张力就小；如果重排分子需要很多能量,张力就大.但我们还有另外一种方法可以延长绳子,不用重排已有绳子内的分子,而是新造一段绳子然后连接到旧绳子的尾端.用这种方法延长绳子所消耗的能量等于新造的那一段绳子所包含的能量,由著名的公式E 等于 m c ^2 给出——新造绳子的质量（m）乘以光速平方（c ^2）.从耗费能量的角度来看,这是一种相当不经济的方法,但同时也是最保险的方法.它规定了延长绳子所需能量的上限,而这也正是绳子张力的上限.绳子的张力永远不可能超过单位长度的绳子质量乘以光速的平方.（也许你会想到把两根绳子扭在一起令强度加倍.但同时,它的重量也加倍了,所以不会提高“张力－重量比”.）
材料强度的基本极限给科技进步留下了很大的空间.这个极限强度是钢材强度的数千亿倍,大约也是碳纳米管的数亿倍,但同样也意味着我们不可能无限地提升材料性能.就如同我们提升推进速度的努力必将终止于光速一样,我们制造更结实的材料也必将终止于一个极限.根据某些理论的猜想,有一种绳子材料能恰好达到这个极限,这意味着它是所有材料中最结实的.这种材料从未在实验室中被发现过,有些科学家甚至怀疑它是否存在,但有些科学家毕生都在致力研究它.这个自然界最结实的绳子也许永远也不会被发现,但它已经有了自己的名字：弦.那些研究弦的人——弦理论家认为,弦是物质最基本的成分,但对于我们来说它的强度才是最重要的.一根和鞋带一样长、一样重的弦可以吊起珠穆朗玛峰.如果我们希望在黑洞周围建造太空电梯,最好的选择就是弦.
然而,结实的弦还是不够结实,可以说它处在“足够结实”的边缘.稍微再结实一点,那么即使在黑洞周围建造太空电梯也是很容易的事；只要再脆弱一点,弦就会由于自身的重量而断裂.弦恰好处在这个临界点上,一根用弦制作的绳子,如果悬挂在黑洞上方并垂到黑洞表面的话,它的强度恰好可以维系自身的重量,没有余力再挂上电梯和货物.这样的绳子可以支撑它自身,但要以舍弃电梯轿厢为代价.这意味着黑洞是无法开发利用的.自然本身的规律限制了我们的建筑材料,即使有一根绳子可以到达黑洞稠密的热大气,我们也无法高效地采集能源.由于弦的强度处在临界值,我们只能把一根稍短的绳子伸进黑洞稀薄的上层大气中提取有限的能量.但这样低效率的开采并不比单纯的等待好多少：黑洞的寿命仍然是m ^3 量级,与不加干预的情况一样.通过获取偶尔游荡在四周的光子,我们可以将黑洞的寿命缩减一点点,但这样的能量提取无法达到工业规模,不能让饥饿的文明社会得到满足.
在这种情况下,有限的光速一直是我们的“对头”.由于我们不能运动得比光快,因此无法突破黑洞的事件视界,此外我们也无法从燃料中获取多于mc^2 的能量,我们注定要将目光投向黑洞,可绳子的强度不可能大于光速的平方乘以单位长度的质量,因而我们也无法充分获取黑洞的能量.当太阳消失以后,我们将生活在永恒的冬天中.我们也许会注意到黑洞热大气中储藏的庞大能源,但获取这样的能源必须承担巨大的风险.如果过于急切或过于深入地向黑洞下手,非但不能从黑洞那里夺取辐射粒子,手里用来捞粒子的“箱子”反而会被黑洞夺走.
那等待我们的, 注定是个非常寒冷的冬天吗？也可能千万年后,我们人类拥有了如今无法想象到科技开发黑洞,或是逃离我们的宇宙,或是漫长黑暗寒冷……
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