書接上文《黑洞，光線的死胡同，那堵墻是什么樣？ 》，本文要講述的話題是黑洞可以用來(lái)解決人類未來(lái)的能源危機(jī)，那些什么關(guān)于宇宙命運(yùn)的大課題，咱們不去探討了，因?yàn)?，老郭跟各位小伙伴一樣，更注重?shí)用性。

要了解黑洞如何能變得比太陽(yáng)還耀眼，變成一個(gè)能持續(xù)釋放能量的天體，就要先了解一下與黑洞有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題我只在前文中提到了一點(diǎn)點(diǎn)——霍金輻射，量子力學(xué)在經(jīng)歷了上世紀(jì)20年代的高速發(fā)展之后，已經(jīng)進(jìn)入到了當(dāng)代量子場(chǎng)論。

在量子場(chǎng)論中，波和粒子都消失了，它們被“場(chǎng)”所代替，這些物理概念可以描述所有可能的物質(zhì)狀態(tài)，真空不再是一無(wú)所有的，而是能量非常小，但不為零的場(chǎng)狀態(tài)。同時(shí)，在微觀世界里不存在絕對(duì)的靜止，一個(gè)系統(tǒng)的能量在微觀世界中持續(xù)波動(dòng)。

量子波動(dòng)

在真空狀態(tài)下，這些波動(dòng)表現(xiàn)為“虛粒子”瞬間在真空中出現(xiàn)和消失。在無(wú)限小的情況下，這種現(xiàn)象會(huì)違反質(zhì)能守恒定律，前提是能量可以快速得到補(bǔ)償，不過(guò)我們無(wú)法直接觀察到這種轉(zhuǎn)瞬即逝的虛擬粒子與真實(shí)粒子之間的相互作用。

當(dāng)能量守恒被瞬時(shí)打破，但電荷守恒卻始終保持著，即，虛粒子總是以粒子-反粒子的成對(duì)形式出現(xiàn)。當(dāng)這個(gè)事件發(fā)生在視界時(shí)，就與我近期的連續(xù)話題《黑暗，隱藏著怎樣的秘密，讓科學(xué)家如此癡迷？（上） 》產(chǎn)生了聯(lián)系。

黑洞吸收恒星

其實(shí)大多數(shù)的黑洞都是帶電荷且旋轉(zhuǎn)的，這樣兩個(gè)虛粒子對(duì)就有可能會(huì)在電場(chǎng)的作用下分開，一個(gè)掉入黑洞，而另外一個(gè)則逃離到了無(wú)窮遠(yuǎn)。在距離黑洞遠(yuǎn)處的觀察者看來(lái)，就像是黑洞無(wú)中生有地產(chǎn)生了一個(gè)粒子。

黑洞發(fā)出來(lái)的粒子基本上是光子、電子和反電子、中微子和反中微子，它們的能量不同。其中光子的能量分布與黑體輻射光的分布具有相同的形狀。按照恒星溫度的定義，我們就可以給黑洞賦予一個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度值，這個(gè)值的大小與黑洞的質(zhì)量成反比。

黑洞和引力波

計(jì)算表明，比較小的黑洞溫度較高，比如只有幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量大小的黑洞的溫度為十億分之一開，而一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于一個(gè)長(zhǎng)寬高都為100米的立方體鐵塊的小黑洞，其輻射溫度可以達(dá)到1000億開，太陽(yáng)的核心溫度卻只有1500萬(wàn)開。

這樣耀眼的小黑洞，其發(fā)射能量并不是憑空產(chǎn)生的，輻射產(chǎn)生的能量同樣來(lái)源于愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2，隨著輻射的產(chǎn)生，黑洞的質(zhì)量和體積都會(huì)縮小，這被天體物理學(xué)家們稱作“黑洞蒸發(fā)”。

黑洞吞噬氣體云

小黑洞蒸發(fā)是一個(gè)加速過(guò)程，因?yàn)橘|(zhì)量減小溫度增加，輻射能量進(jìn)一步提高，這就加速黑洞質(zhì)量減小，如果沒(méi)有質(zhì)量補(bǔ)充，黑洞就會(huì)完全“蒸發(fā)”不見(jiàn)。這就是為什么我們無(wú)法發(fā)現(xiàn)宇宙中那些原初小黑洞的原因，都蒸發(fā)掉不見(jiàn)了。

有了前面這些知識(shí)的鋪墊，現(xiàn)在我們可以正式回到本文的話題了，如何把黑洞變成能源呢？物理學(xué)家們的設(shè)想是，造一個(gè)微型的黑洞，把它放到軌道上，通過(guò)定期補(bǔ)充物質(zhì)來(lái)彌補(bǔ)質(zhì)量損失來(lái)控制輻射強(qiáng)度。

計(jì)算機(jī)模擬的史瓦西黑洞

一個(gè)史瓦西黑洞的能量產(chǎn)生效率最高可以達(dá)到5.7%，而一個(gè)克爾黑洞（快速旋轉(zhuǎn)的）則可以讓能量產(chǎn)生效率提高到42%，遠(yuǎn)高于目前人造太陽(yáng)（氦聚變）獲得的0.7%的生產(chǎn)效率。而且這并非是黑洞釋放能源的極限。

最近，哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家盧卡 · 科米索 (Luca Comisso）和智利阿道夫 · 伊班奈茲大學(xué)物理學(xué)家費(fèi)莉佩 · 阿森霍 (Felipe Asenjo）在《物理評(píng)論 D》上發(fā)表的研究報(bào)告稱，通過(guò)破壞和重聯(lián)黑洞視界附近的磁場(chǎng)線，能從黑洞中提取能量。

釋放能量的黑洞

該研究報(bào)告第一作者科米索說(shuō)：“黑洞通常被具有磁場(chǎng)的等離子粒子‘湯’包圍，理論表明，當(dāng)磁場(chǎng)線以正確的方式斷開和重新連接時(shí)，它們可以將等離子粒子加速到負(fù)能量，該能量足以從黑洞中提取出來(lái)。

科米索和阿森霍提出的理論前提是重新連接磁場(chǎng)會(huì)使等離子體粒子朝向兩個(gè)不同方向加速，一些等離子流被推至黑洞自旋方向，而另一些等離子流被推到自旋方向，并能逃脫黑洞引力束縛，如果被黑洞吞噬的等離子體具有負(fù)能量，就會(huì)相應(yīng)地釋放能量。

釋放能量的黑洞

在能層內(nèi)部，磁重聯(lián)是非常罕見(jiàn)的，會(huì)導(dǎo)致等離子粒子速度加速至光速等級(jí)，該研究報(bào)告合著作者阿森霍解釋，捕獲和逃逸的等離子體流之間的高相對(duì)速度，是從黑洞中提取大量能量的原因。

阿森霍說(shuō)：“我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)等離子被激發(fā)的過(guò)程可達(dá)到 150% 的效能，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球上任何發(fā)電廠。事實(shí)上，超過(guò) 100% 效能是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楹诙磿?huì)流失能量，這些能量是免費(fèi)提供給從黑洞中逃逸的等離子?！?/p>

恒星和物質(zhì)落入黑洞

盡管人類今天對(duì)黑洞的了解仍然不多，更談不上利用它的能量了，但是，我們要相信科學(xué)的力量，隨著人類黑洞的深入了解，當(dāng)人類完全掌握黑洞的本質(zhì)，那么人類開發(fā)采集黑洞能量就不遠(yuǎn)了。所以說(shuō)黑洞能夠成為未來(lái)能源是未來(lái)可期的。

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