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都說黑洞“一毛不拔”,科學家卻想從中“榨取”能量
發布時間:2020-08-18     作者:于紫月   來源:科技日報   分享到:

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

近期,一個國際研究團隊通過物理實驗,嘗試著去解答這個困擾科學家半個多世紀的問題——我們可以從黑洞中獲取能量嗎?該研究成果近期發表在《自然物理學》期刊上。

50年前就有大膽猜想

1969年,英國數學物理學家羅杰·彭羅斯提出了一個從黑洞中獲取能量的大膽猜想,被稱為“彭羅斯過程”。

黑洞其實是個大家族,可根據不同的分類標準分成多種類型。如果根據黑洞的3個參量——質量、角動量和電荷分類,可將其分為4類,即史瓦西黑洞,不帶電荷且不旋轉;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,既帶電荷也會旋轉。彭羅斯過程針對的就是后面兩類黑洞,即旋轉的黑洞。

“彭羅斯過程是通過將一個物體丟入黑洞的能層來獲取能量。”中國科學院國家天文臺研究員茍利軍在接受科技日報記者采訪時說。

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方向相反。茍利軍解釋說,彭羅斯過程中,被扔進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,如果被吸收的物質能量為負,逃逸的物質能量則會比初時更高。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動能。”中國科學技術大學天文學系教授袁業飛在接受科技日報記者采訪時表示,逃逸的物質能量增加,黑洞的能量必然減少,實際上就是黑洞的旋轉速度慢了下來,轉動能有所損失。可以預判,被吸入的物質旋轉方向必然會與黑洞的旋轉方向相反。

黑洞不是實驗室里的小白鼠,無法簡單“抓”來一個仔細研究。因此,彭羅斯過程始終是個猜想,沒有人敢斷言這個瘋狂的想法是否真能實現。

1971年,即彭羅斯過程提出2年后,蘇聯物理學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,再向其發射光波。他預言光波會被圓柱體“放大”,即轉動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。”袁業飛進一步解釋,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要轉動100萬圈甚至10億圈,這是現實中的機械馬達無法實現的。

在此次最新研究中,研究人員巧妙地利用聲波代替光波,模擬了這一實驗,輻射的聲波果然被“放大”,增加的能量多達30%以上。袁業飛告訴記者,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現的速度。

“該研究實際上模擬的是彭羅斯過程背后的物理本質,并不代表彭羅斯過程真能實現。因為黑洞離我們很遙遠,無法在現有條件下用黑洞做實驗去驗證。”袁業飛表示。

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黑洞中提取能量的道路上更進一步。

“榨取”能量有兩種方案

好奇心和想象力是推動科學發展的一雙翅膀。雖然目前彭羅斯過程尚無法驗證,但這絲毫不能阻擋科學家對“榨取”黑洞能量的執著追求。

“目前學者們提出了兩種思路。”袁業飛說。

一種是提取黑洞的轉動能。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,黑洞的轉速將會降低,損失一部分轉動能,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物體,物體的速度將越來越快,這是重力勢能轉變為物體動能的常見例子。黑洞也是如此,如果將處于等離子體態的氣體扔到黑洞里面,隨著距離黑洞越來越近,氣體的運動速度也會越來越快,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,實際上是黑洞的引力能轉化為物體的動能,再轉化為熱能,將能量從黑洞中“搬運”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僅有0.7%。根據愛因斯坦質能方程,1克物質通過黑洞的引力能轉換后,獲取的能量理論上要高出其靜止質量對應能量的5.7%,這一數值極為可觀。

而對于提取黑洞轉動能這一思路,其能量提取率則可高達43%左右。

未來或成星際旅行“充電站”

“浩瀚的宇宙中,黑洞數不勝數。此前有科學家估算過,質量大于10倍太陽質量的黑洞數目應該超過1億個。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,漫長的星際旅行中,人們正因燃料告罄而瀕臨絕望時,突然發現附近就有一個黑洞。今時的恐懼屆時將化為滿腔歡喜——能源問題迎刃而解,宇宙飛船“滿血復活”,向著更深的太空和更多的未知進發!

然而,理想很豐滿,現實卻很骨感。目前由于諸多現實條件的限制,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測黑洞的高分辨率望遠鏡。如果連觀測對象的本質都沒有搞清楚,談何利用。”茍利軍說。

“黑洞距離我們十分遙遠,利用這一遙遠的天體‘發電’,目前還只是個概念,我們很難設計一個具體的方法和過程。”袁業飛坦言。

不過,未來總是充滿未知,正如人們古代的飛翔夢已經在現代成為了現實。“很多時候,科幻會為科學埋下一顆種子,我們期待著它能在未來生根發芽。”茍利軍說。

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