当人们想到黑洞时,首先想到的是可以吞噬一切的巨大引力。想象一下在星际旅行中遇到黑洞是多么的恐怖和绝望。然而,对于这个连光都无法逃离的“魔法洞穴”,科学家们想“提取”能量供我使用。

  最近,一个国际研究小组试图通过物理实验来回答困扰科学家半个多世纪的问题——我们能从黑洞获得能量吗?研究结果最近发表在《自然物理学》杂志上。

  50年前有一个大胆的猜测

  1969年,英国数学物理学家罗杰·彭罗斯(roger penrose)提出了从黑洞获取能量的大胆猜想,称之为“彭罗斯过程”。

  黑洞其实是一个大家庭,按照不同的分类标准可以分为很多类型。如果根据黑洞的三个参数——质量、角动量和电荷来分类,可以分为四类,即史瓦西黑洞,它没有电荷,也不旋转;莱斯纳黑洞,带电但不旋转;克尔黑洞,旋转但不带电荷;克尔-纽曼黑洞带电旋转。彭罗斯过程是针对后两种类型的黑洞,即旋转黑洞。

  "彭罗斯过程是通过将一个物体扔进黑洞的能量层来获得能量."中国科学院国家天文台研究员苟利军在接受《科技日报》采访时表示。

  能量层是旋转黑洞的一种特殊结构,位于黑洞边界——事件视界之外的一种结构。能量层有一个惊人的特性,其中可以有负能量粒子,它们的旋转方向与黑洞相反。苟丽君解释说,在彭罗斯过程中,抛入能量层的物体或粒子在一定条件下被分成两部分,一部分被黑洞吸入,另一部分从黑洞逃逸。能量是守恒的。鉴于能量层的特性,如果吸收的物质能量为负,那么逸出的物质能量会比开始时高。这意味着我们从黑洞获得能量。

  "彭罗斯过程提取的能量来自黑洞的旋转能量."中国科学技术大学天文学教授袁在接受《科技日报》记者采访时表示,随着逃逸物质能量的增加,黑洞的能量将不可避免地减少。事实上,黑洞的旋转速度会变慢,旋转能量会损失。可以预测,吸入物质的旋转方向将与黑洞的旋转方向相反。

  黑洞不是实验室的老鼠,所以不能简单的“抓”出来仔细研究。所以彭罗斯过程永远是一个猜想,没有人敢断言这个疯狂的想法是否真的可以实现。

  1971年,彭罗斯过程提出两年后,苏联物理学家泽尔多维奇提出了一种可能的测试方法。他建议圆柱体应该由一种可以吸收能量的材料制成,模拟一个旋转的黑洞,然后向它发射光波。他预言光波会被圆柱体“放大”,即旋转的金属圆柱体会吸收带负能量的光波,出射光波的频率增加,撞击圆柱体后总辐射能量增加,称为超辐射。

  然而,现有条件的局限性又一次给科学家泼了冷水。

  “要想达到这种效果,必须使圆柱体以足够大的速度旋转,至少等于入射光波的频率。”袁进一步解释说,光波的频率一般在兆赫或千兆赫。这意味着气缸在一秒钟内会旋转100万圈甚至10亿圈,这对于现实中的机械马达来说是不可能的。

  在这项最新的研究中,研究人员巧妙地用声波代替光波来模拟这个实验,辐射的声波确实被“放大”,能量增加了30%以上。袁告诉记者,这是由于声波的频率范围很宽,研究人员可以选择远低于光波的低频声波,这样“黑洞替代物”的旋转速度就可以降低到人为可达到的速度。

  “这项研究实际上模拟了彭罗斯过程背后的物理本质,但并不意味着彭罗斯过程可以实现。因为黑洞离我们很远,在现有条件下不可能用黑洞作为实验来验证。”袁对说:

  正如研究人员所说,他们的研究结果并没有让人类在从旋转的黑洞中提取能量方面走得更远。

  “挤压”能量有两种选择

  好奇心和想象力是推动科学发展的一对翅膀。虽然彭罗斯过程目前无法验证,但并不能阻止科学家对“提取”黑洞能量的执着追求。

  "目前,学者们提出了两种观点."袁对说:

  一种是提取黑洞的旋转能量。当然,这个想法是针对旋转黑洞的。根据能量守恒定律,如果我们成功地从它那里获得能量,黑洞的旋转速度会降低,会损失一些旋转能量,就像彭罗斯过程一样。

  另一个想法是提取黑洞的引力势能。这个想法不需要黑洞的类型,因为所有的黑洞都有很大的引力。在日常生活中,如果一个物体从高楼上掉下来,物体的速度会越来越快,这是重力势能转化为动能的常见例子。黑洞也是如此。如果把等离子体状态的气体抛入黑洞,随着离黑洞的距离越来越近,气体运动越来越快,等离子体中的粒子相互碰撞,从而使携带能量的光子发生热化和辐射。这个能量提取的过程,其实就是把黑洞的引力能转化为物体的动能,再转化为热能,能量被“带出”黑洞。这就是我们通常所知的黑洞周围吸积盘的能量来源。

  袁补充说,估计黑洞引力能的能量提取率约为5.7%。不要认为这个效率很低,因为核聚变提取的能量只有0.7%。根据爱因斯坦的质能方程,1克物质经黑洞引力能转化后得到的能量,理论上比其静止质量对应的能量高5.7%,印象极其深刻。

  对于提取黑洞旋转能量的想法,能量提取率可以高达43%。

  未来还是星际旅行“充电站”

  “在浩瀚的宇宙中,有无数的黑洞。一些科学家估计,质量大于太阳10倍的黑洞数量应该超过1亿个。如果能把这些黑洞改造成能源‘供应站’,那将是一件非常令人震惊的事情。”苟丽君感慨道。

  想象一下,在漫长的星际旅行中,当人们因为燃料耗尽而濒临死亡时,他们突然发现附近有一个黑洞。今天的恐惧会变成喜悦——能量问题得到解决,飞船将“血复活”,驶向更深的空间,更多的未知!

  然而理想是丰满的,现实却是骨感的。目前由于诸多现实条件的限制,“黑洞能量站”的想法只能停留在科幻世界。

  首先,“我们没有可以仔细观察黑洞的高分辨率望远镜。如果连被观测对象的性质都不清楚,该如何使用。”苟丽君说。

  “黑洞离我们很远。利用这个遥远的天体‘发电’还只是一个概念。我们很难设计出具体的方法和流程。”袁坦率地说。

  然而,未来总是充满未知,就像人们古老的飞行梦想在现代变成了现实。“很多时候,科幻小说会为科学埋下种子,我们期待它在未来生根发芽。”苟丽君说。