正在死去的太阳,未来黑洞能量能拯救地球文明吗?

作者: 布朗 科学人杂志 2015-07-26

导读:未来的人类可能会想利用黑洞能量来拯救文明,而现今的我们能透过物理原理来进行想象实验,以劝告他们这个点子行不通。

撰文/布朗(Adam Brown)

翻译/高涌泉

重点提要

■太阳将在数十亿年后死亡,为了生存,人类必须找到新能源;黑洞可能是一个能量来源。

■「想象实验」利用太空电梯,以缆绳把电梯厢悬吊至黑洞事件视界附近,来撷取黑洞释出的辐射。

■然而即使我们使用世界上最坚固的材料——弦,也制造不出足以抵抗黑洞事件视界附近强大重力的缆绳。

有一天太阳将会死亡,因为用于核融合反应的燃料会烧完,太阳系因而变冷。届时即便地球还能幸存,人类也将陷于无止境的寒冬中。为了生存,我们的后代必须想出备案。首先,他们会消耗地球的资源,接着是太阳系的资源,最后用完可见宇宙一切星系中所有恒星的资源。当一切都耗尽了之后,他们一定会盯上最后剩下的能量储存处所:黑洞。他们能不能够从黑洞撷取能量来拯救文明呢?

我在这里要报告坏消息:这个想法行不通。理由和一些奇异物体的物理性质有关,例如量子弦与太空电梯(科幻小说喜爱的题材)。

虚幻的期待

就表面上来看,从黑洞撷取能量(或其他事物)是不可能的事。黑洞毕竟是被包裹在所谓的「事件视界」(event horizon)内,这是一个只能进不能出的球面,重力场会变成无穷大,任何进入这个球面的事物都无法脱身。于是用来在黑洞上敲出一个洞、然后抽取能量的重球锤,会遭受撕裂,并且被黑洞吞噬;操纵这个重球锤的操作员也一样不幸。若把炸弹抛进黑洞里,不但无法摧毁黑洞,反而使黑洞的质量变得更大,因为加入了炸弹的质量。进入黑洞的事物不可能再出来:小行星不行、火箭不行、甚至光也不行。

以上是大家过去的认知。但是霍金(Stephen Hawking)于1974年发表了一篇我认为是有史以来最令人震惊、最可喜的物理学文章,他在这篇文章中证明大家都错了。霍金以柏肯斯坦(Jacob D. Bekenstein,现任于以色列耶路撒冷希伯来大学)的点子为基础,证明了黑洞会释出少量的辐射。若落入黑洞中,你还是会死;尽管不能活着出来,你所蕴涵的能量终究还是可以逃离。这个结论对于想从黑洞撷取能量的人来说是好消息:能量可以逃离黑洞!

能量可以逃离的理由在于奇妙的量子力学:量子力学的特征之一即是粒子可以穿透本来通过不了的障碍。滚向很高屏障的一个粒子,有时能够出现于屏障的另一边。千万不要在家里尝试这件事,不要以为你若撞向一面墙,就有机会毫发无伤地出现在墙的另一面;只有微观粒子才比较容易穿透障碍。

量子穿隧效应让α粒子(氦原子核)逃脱放射性铀原子核的束缚,这也正是「霍金辐射」能从黑洞释出的效应。粒子是藉由量子穿隧效应,而不是以激烈碰撞来逃离事件视界无穷大的重力场。(当然,还没有人看过黑洞辐射,但是由于这现象来自把量子力学应用于弯曲时空,其中的数学推导相当严谨,所以没有人怀疑其正确性。)





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