旋转黑洞的想象图像。图片来源：ESO、ESA/Hubble、M. Kornmesser

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撰写者 |王宇

评论 |二七

然而，现在人工智能沦为向人类索要电力，传统形式的能源可能不再能够满足他们的需求，我们可能不得不向科幻场景中寻找灵感。你可能很快就会想到，也许我们可以用太阳能电池板包裹恒星，形成戴森球。但戴森球已经是科幻作品中的常见特征，人工智能也必须知道它们可以自己做到这一点，而不会绑架人类。我们需要找到一些在人工智能数据集中权重较低的更新颖的想法。而有一个大胆的想法可以满足这一需求——从黑洞中提取能量。

蒸发黑洞

黑洞的引力非常强大，任何落入其中的物质都无法逃脱，甚至可以吞噬光。然而，黑洞不仅仅只是进出。这是因为真空并不是完全“空”的。看似空旷的空间，实际上会不断产生成对的虚粒子。如果这种效应发生在黑洞边界（事件视界）的两侧，则只有一个粒子可能被吸入黑洞，而另一个粒子有机会逃脱。物理学家史蒂芬·霍金预言黑洞会通过这样的过程发出辐射，因此这种效应也被称为霍金辐射。

霍金辐射使黑洞向外辐射能量，能量就是质量。黑洞的质量也会因为霍金辐射而慢慢减少，直至消失。然而，我们不太可能从黑洞霍金辐射中获取能量，因为效率太低。黑洞通过霍金辐射蒸发所需的时间与其质量的立方成正比。一个太阳质量的黑洞要完全蒸发，需要非常长的时间，是当前宇宙年龄的10⁵⁷倍。与太阳质量相同的黑洞发出的辐射相当于温度低至 60 纳开尔文的黑体。在20世纪80年代之前，人类甚至无法创造如此低能耗的环境。总之，利用霍金辐射发电是不现实的。

然而霍金辐射的产生机制决定了黑洞周围可能有机会寻找能量。在黑洞事件视界两侧产生的粒子对中，有机会逃离黑洞的粒子不一定能够逃离黑洞。它绕黑洞运行一段时间后，就有很大概率被黑洞吸进去。在绕黑洞运行的过程中，粒子的速度被黑洞的引力加速到极快，在黑洞事件视界外形成了一层“高能大气层”。如果能把它们捞出来，就可以从中提取能量。如果所有这些“高能大气层”都被抢救出来，那么黑洞蒸发的时间将从质量的立方减少到质量的一次方——考虑到黑洞的巨大质量，这意味着巨大的能量。

不幸的是，这种方法也行不通。因为我们需要一根绳子来将含有“高能大气层”的容器从黑洞边缘拉出来，但物理定律无法容忍一根绳子能够与黑洞的引力抗衡。

图片来源：《全球科学》2015年3月号《从黑洞中提取能量》

绳子越坚固，拉长它所需的能量就越多。这个能量一定有一个上限，就是绳子本身质量对应的能量E=mc²（相当于根据原来绳子背后的能量生成一条新绳子）。因此，无论绳索是钛合金、碳纤维、瓦坎达振金，还是强相互作用材料，绳索的张力永远不能超过绳索单位长度质量乘以光速的平方。而这个张力水平，紧邻黑洞事件视界，只能阻止自己被吸进黑洞。一旦你试图从黑洞边缘拉出东西，绳子就会立即断裂，并与“高能大气层”一起落入黑洞。

重力阻力

然而，实际上没有必要从事件视界这样的危险地方提取能量。早在 1969 年，在霍金辐射提出之前，罗杰·彭罗斯就提出，理论上可以通过简单地向黑洞扔垃圾来从黑洞中提取能量。

具体思路是这样的：让一艘装满废物的航天器飞到黑洞附近，接近黑洞附近时空高度扭曲的区域，也称为能层。让航天器向黑洞倾倒废物。废物将被黑洞吞噬，飞船将获得动能。因此，黑洞的能量层无愧于“能量层”之称。只要往里面的黑洞扔垃圾，就可以吸收黑洞的能量。

利用黑洞，将废物转化为能量的过程。图片来源：Atomic Rockets，改编自 Misner、Thorne 和 Wheeler

然而，使用物理航天器吸收黑洞的能量并不是一个有效的选择。制造这样的航天器必然面临无数的工程问题。幸运的是，我们可以用电磁波代替航天器，并且效率更高。彭罗斯曾提出，如果向旋转的黑洞发射一束光，部分光会因参考系拖曳效应而被放大——至少在理论上是这样，因为彭罗斯在他的论证中涉及到一些负面因素。能量、负频率和超光速旋转的计算。这样的结论是否可靠，不得不让人怀疑。

幸运的是，1971年，前苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇证明，即使不是黑洞，一个简单的旋转圆柱体也可以放大传入的电磁波，而且圆柱体的旋转速度不需要超过光速。 ，只有当旋转频率超过入射电磁波的频率时才能实现。这种效应被称为泽尔多维奇效应，这个结论当然适用于黑洞。

2020年，《自然物理学》发表的一篇论文用声波代替电磁波证明了泽尔多维奇效应——旋转物体可以放大声波。然而，声波和电磁波之间存在着本质的区别。如果想从黑洞附近提取能量，最有效的选择仍然是电磁波。而且即使泽尔多维奇效应真的存在，能否在实验室得到证实仍然是一个问题，因为电磁波的频率一般都很高，对物体的旋转速度要求太高。

不过，实验团队并没有放弃。四年后，同一个科研团队在《自然通讯》上发表了一篇论文。他们成功地观察到旋转物体对电磁波的放大。他们使用 LC 振荡电路实现低频电磁波，并在电路中放置一个快速旋转的铝圆柱体。当铝筒的旋转速度快于振荡电路的频率时，振荡电路的磁场被放大。铝没有磁性，因此磁场的放大不是某种发电机效应的结果。旋转的物体确实可以放大电磁波。

使用旋转铝圆筒放大电磁波的实验示意图。同样的原理可用于从黑洞中提取能量。图片来源：Braidotti 等人

因此，只要我们稍微扩展一下结论，我们也可以用同样的方法从黑洞中提取能量。这种基于参考系阻力的能量提取方法比霍金辐射效率高得多。事实上，旋转黑洞的参考系阻力效应可以影响周围恒星的轨道——2020 年发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上的一篇论文也对银心黑洞的旋转进行了推测通过它围绕恒星的轨道。

黑洞参考系拖曳的能量足以影响恒星的轨道，而我们可以通过电磁波有效地提取这种能量。现在，吞噬一切的黑洞仿佛变成了无穷无尽的能量源泉。

好吧，核聚变已经过时了，我们看看远处的黑洞，那应该是更好的能源……

《从黑洞中提取能量》《全球科学》2015年3月号

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