史上最大膽的能源計劃：從黑洞中提取能源？

有朝一日，太空電梯能夠將物質運送到地球以外。但是，我們能在黑洞附近建造一架足夠結實的電梯嗎？

總有一天太陽會隕落，供其進行核聚變的燃料會耗盡，世界會變得陰冷。如果屆時地球仍然健在，人類將會墜入永恆的嚴冬中。當可見宇宙範圍內所有星系中的所有恆星的能源都會被消耗殆盡、沒有任何剩餘能源可用時，他們肯定會把目光投向最後的能量倉庫：黑洞。我們的後代能從黑洞中獲取能源，並延續我們的文明嗎？

虛幻的希望

乍看之下，從黑洞中提取能量或者其他任何東西都是不可能的。畢竟，黑洞被一個「事件視界」包圍著，這是一個有去無回的球面，球面內的引力場會變得無限大。任何誤入這個球面的東西都註定會毀滅。因此，一台掄著大鐵球，企圖從視界上破開一個洞，從而把能量釋放出來的吊車不僅不會成功，自己反而會被破壞，連帶著不幸的駕駛員一起被黑洞吞沒。投入黑洞的炸彈非但不能摧毀黑洞，反而會讓它變得更大，增加的量就等於炸彈的質量。進入到黑洞中的任何東西都無法出來：隕石不能，火箭不能，甚至光也不能。

我們過去基本上就是這麼認為的。但是，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在1974年發表的那篇讓我最為震驚，也最為興奮的物理學論文證明，我們過去的想法是錯誤的。在雅各布·貝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein，目前就職於耶路撒冷希伯來大學）的早期思想的基礎上，霍金證明黑洞會泄漏出少量輻射。如果你掉入黑洞的話還是會死，不過，儘管你本人永遠無法逃出來，但你的能量可以出來。這對於未來的黑洞能源開發者是一個好消息：能量是可以逃出來的。

能量能夠逃離出來的奧秘，隱藏在量子力學的神秘世界中。量子物理的一個標誌性現象是，粒子可以穿過本不可能穿過的障礙。一個向著勢壘（勢能比周圍高的區域，在經典物理範疇內，粒子的能量必須足夠高才能從這個區域翻越過去）運動的粒子有時會出現在勢壘的另一邊。不要在家裡嘗試這種行為——將自己撞向一堵牆，你是不可能毫髮無傷地出現在牆的另一邊的。但是，微觀粒子的隧穿效應就容易得多。

量子隧穿是α粒子（一個氦核）能夠掙脫放射性鈾核的原因，也是霍金輻射能從黑洞中泄露出的原因。粒子掙脫事件視界並不是直接突破了那近乎無限強的引力場，而是通過量子隧穿實現的。（當然，沒有人見過黑洞輻射。但這是將量子力學應用到彎曲時空所得到的令人信服的數學結果，任何人都不會懷疑的。）

由於黑洞會發出輻射，我們也許就有希望獲取它們的能量。但真正的困難在於細節方面。無論我們如何去嘗試提取這些能量，都將困難重重。

一個簡單的方法就是等待。經過足夠長的時間後，黑洞會一個光子一個光子地將自己的能量釋放回宇宙中，進入我們等待的雙手裡。每損失一點能量，黑洞都會減小一點，直到最後消失不見。從這個意義上來說，黑洞就像一杯美味可口的咖啡，你不能接觸它的表面，否則就會被引力撕裂。但仍然有一種辦法可以享受到這杯危險的咖啡，那就是等著它蒸發，然後吸入蒸發出的氣體。

遺憾的是，雖然等待是一個簡單的辦法，但這個過程極其緩慢。黑洞非常黯淡，一個質量與太陽相等的黑洞，發出的輻射相當於溫度低至60納開爾文的黑體（也就是說，這個黑體的溫度距離絕對零度只有0.00000006度）。20世紀80年代以前，我們還無法在實驗室中將物體冷卻到那樣的低溫。要使一個質量相當於太陽的黑洞完全蒸發掉，需要的時間無比漫長，是現今宇宙年齡的1057倍。一般來說，一個黑洞的壽命等於其質量的立方——m3。因此，我們渾身打顫的後代們必須要加快行事才行。

開採「黑洞大氣」

有一個原因，可以讓我們的後代保持樂觀：並不是每一個掙脫了黑洞視界的粒子都會逃逸到無窮遠的地方。實際上，幾乎沒有粒子能跑出那麼遠。差不多所有通過隧穿效應穿過事件視界的粒子很快就會再次被引力場俘獲，然後被黑洞回收。如果我們能用某種方法，將這些光子從黑洞的束縛中奪取過來，在它們已脫離視界但還沒被再次俘獲時將它們營救出來，那麼我們也許可以更快地獲取黑洞的能量。

要知道怎樣奪取這些光子，首先必須研究黑洞附近的那些極端作用力。之所以絕大多數的粒子會被黑洞重新俘獲，是因為它們並不是筆直射出的。試想，緊貼著黑洞的視界向外發射一束激光。為使激光能夠逃脫出去，你必須對準正上方發射，離視界越近就更要對準正上方。那裡的引力場實在太強，只要稍微偏離方向，光線就會繞一個圈子落回到黑洞中。

如果粒子偏離垂直方向，由此產生的旋轉速度反而不利於粒子逃離，這可能聽起來很奇怪。畢竟，就是軌道速度提供的離心力抵消了引力，才使得國際空間站能夠懸在空中。然而，當過於接近黑洞的時候，形勢發生了逆轉——旋轉速度會阻礙物體逃離。這種效應是廣義相對論的結果，根據廣義相對論，引力會作用於所有的物質和能量——不僅是靜質量，也包含軌道動能。當靠近黑洞時（更確切地說是在事件視界半徑的1.5倍以內），軌道動能所帶來的吸引力大於離心排斥力。在這個半徑之內，旋轉速度越大，粒子就會越快落入黑洞。

這個效應表明，如果你沿著繩索向黑洞表面下降，很快你就會感到非常熱。你將同時沐浴在兩類光子中。一類是將會逃到無限遠處，成為「霍金輻射」的光子，還有一類是那些不能逃出去的光子。黑洞有一層「熱大氣」，離事件視界越近就越熱。而熱就意味著攜帶著能量。

事件視界之外儲存著能量，這讓科學家想到了一個非常巧妙的辦法來獲取黑洞能量：我們可以接近黑洞，採集那裡的熱大氣然後運出去，通過這種方式來開採黑洞能量。把一個盒子懸掛到黑洞視界附近，但不要穿過視界，裝滿熱氣體後拽出來。採集到的氣體中有一部分本來可以自己逃出去，就是「霍金輻射」，但是絕大部分氣體如果沒有我們的干預，最終註定會掉回黑洞。（一旦那些氣體離開了事件視界附近，將它們運回地球就非常容易了：簡單的打包，放到火箭上運回家或者將氣體的能量轉變成激光發射回去。）

這個方法就像是在我們那杯可口而又危險的咖啡表面吹氣一樣。如果不加干預的話，絕大多數蒸發出來的水蒸氣都將落回杯中，但從表面吹氣，可以趕在水蒸氣落回杯中之前把它們移走。這種方法的設想就是，通過剝離黑洞的熱大氣，我們可以快速地「享用」黑洞，把時間尺度從自然蒸發需要的m3量級縮短到m量級。

然而，我最近的研究證明，這種設想是不可行的。這個結論並非源於對量子力學或者量子引力的深層思考。相反，這來自於最簡單的考慮：你找不到足夠結實的繩子。為了開發那層熱大氣，你需要在黑洞附近懸掛一根繩子——需要建造一部太空電梯。但是，我發現，要在黑洞附近建造任何實際有效的太空電梯都是不可能的。

建造太空電梯

太空電梯（有時也被稱作天鉤）是幻想中的未來交通工具，因出現在科幻小說家亞瑟·C·克拉克（Arthur C. Clarke）1979年的小說 《天堂的噴泉》中而為人熟知。克拉克設想，讓一根繩索懸掛在外太空並一直垂到地球表面。這跟繩索不是由來自下方的推力所支撐（像摩天大樓那樣，每一層都支撐著上面的樓層），而是由來自上方的拉力拉著（每一段繩索都支持著它下方的片段）。繩索的遠端系在一個巨大的、沿著同步靜止軌道外圍緩慢運行的物體上，這個物體向外拽著繩索，讓整個裝置保持懸浮。繩索的底端垂到地球的表面，由於各種力的平衡，就像用了魔法的力量一樣靜止在那裡（克拉克曾說過，足夠先進的科技無異於魔法）。

這種先進技術的關鍵在於，由於有那根繩索的存在，向軌道上運輸貨物會變得非常容易。我們不再需要危險、低效而又浪費的火箭了。在火箭的太空之旅中，送上天的主要是自己要用的燃料。取而代之的是附著在繩索上，以電力驅動的電梯。這樣一來，將貨物運送到近地軌道的基本成本只是電費了，將1千克物品送到太空的費用將會從搭載太空梭所需的數萬美元降低到幾美元——到太空的旅程將比坐一次地鐵還便宜。

建造一個太空電梯需要克服艱巨的技術難題，而其中最困難的在於，找到一種適合做繩索的材料。理想的材料需要既輕又結實——結實就不會在拉力的作用下伸長或斷裂，輕就不會讓上方的繩索負擔過重。

鋼材的強度是遠遠不夠的。除了承受下方貨物的重量外，每段鋼索還要承受它自身的重量，所以繩索從下往上必須越來越粗。相對於自身的強度而言，鋼材實在太重了，所以從靠近地表一端開始，每隔幾千米，鋼索的半徑就必須加倍。遠在到達同步靜止軌道的高度之前，繩索就已經粗到不切實際的程度了。用19世紀的材料建造太空電梯顯然是不可能的了，但我們還有值得期待的、來自21世紀的材料。碳納米管是碳原子組成的長帶，在它內部，碳原子排列成蜂巢一樣的六邊形格子。這種材料的強度是鋼材的1 000倍，是建造太空電梯的完美候選者。

作為迄今為止最浩大的工程，太空電梯需要花費數十億美元。而且，怎樣才能把納米管編製成數萬千米長的繩子也是個必須解決的問題，此外還有很多其他困難。但是，對於一個我這樣的理論物理學家而言，一旦確認我們設想的構造不違反已知的物理規律，那麼剩下的就只是工程學問題了。（從這個意義上來說，建造熱核發電站的問題也已經「解決了」。儘管顯而易見的是，除了偉大的太陽，現在還沒有能為我們提供能源的熱核發電廠。）

弦：最結實的繩子

在黑洞周圍，問題顯然會變得更加困難。那裡的引力場更強，在地球附近可行的辦法到了那裡就會失效。

可以證明，即使藉助碳納米管那常被誇大的力量，要建造一個可以抵達黑洞視界附近的太空電梯也是不可行的。承載這種電梯的碳納米管繩索要麼在靠近黑洞的一端會細到能被一個「霍金輻射」光子破壞，要麼在遠離黑洞的一端會由於太粗而在自身引力作用下坍縮，自己變成一個黑洞。

這些限制排除了碳納米管。但就如同鐵器時代緊隨著青銅器時代，碳納米管某天將會取代鋼鐵那樣，我們會期待材料科學家發明出越來越結實、越來越輕的材料，而他們確實也能做得到。但是，這種進步不能無限持續下去。這樣的進步有一個極限，一個工程學的極限，材料的張力強度與重量之比是不可能無限增大的，自然規律本身為其規定了一個極限。根據愛因斯坦的著名公式E=mc2，我們可以推導出這個讓人吃驚的結論。

繩子的張力告訴你要拉長繩子需要花費多少能量：繩子張力越大，為了使它伸長就需要消耗越多能量。一根橡皮筋之所以有張力是因為要使它伸長，你必須花費能量來重排它的分子：如果分子容易重排（需要花費能量很少），張力就小；如果重排分子需要很多能量，張力就大。但我們還有另外一種方法可以延長繩子，不用重排已有繩子內的分子，而是新造一段繩子然後連接到舊繩子的尾端。用這種方法延長繩子所消耗的能量等於新造的那一段繩子所包含的能量，由著名的公式E=mc2給出——新造繩子的質量（m）乘以光速平方（c2）。

從耗費能量的角度來看，這是一種相當不經濟的方法，但同時也是最保險的方法。它規定了延長繩子所需能量的上限，而這也正是繩子張力的上限。繩子的張力永遠不可能超過單位長度的繩子質量乘以光速的平方（也許你會想到把兩根繩子扭在一起令強度加倍。但同時，它的重量也加倍了，所以不會提高「張力—重量比」。）

材料強度的基本極限給科技進步留下了很大的空間。這個極限強度是鋼材強度的數千億倍，大約也是碳納米管的數億倍。但同樣，這也意味著我們不可能無限地提升材料性能。就如同我們提升推進速度的努力必將終止於光速一樣，我們製造更結實材料的努力也必將終止於這個極限。

根據某些理論的猜想，有一種繩子材料能恰好達到這個極限，這意味著它是所有材料中最結實的。這種材料從未在實驗室中被發現過，有些科學家甚至懷疑它是否存在，但有些科學家畢生都在致力研究它。這個自然界最結實的繩子也許永遠也不會被發現，但它已經有了自己的名字：弦。那些研究弦的人——弦理論家認為，弦是物質最基本的組成成分。對於我們來說，它是否基本不重要，它的強度才是最重要的。

弦很結實。一根和鞋帶一樣長、一樣重的弦可以吊起珠穆朗瑪峰。由於最艱巨的工程挑戰需要最結實的材料，如果我們希望在黑洞周圍建造太空電梯，我們最好的選擇就是弦；碳納米管失敗了，但基本的弦也許能夠成功。如果還有什麼材料能勝任這個任務的話，那就是弦；反過來說，如果弦也不能勝任的話，那黑洞就安全了。

然而，儘管弦很結實了，但還是不夠結實。可以說它處在「足夠結實」的邊緣。稍微再結實一點，那麼即使在黑洞周圍建造太空電梯也是很容易的事；只要再脆弱一點，弦就會由於自身的重量而斷裂，這個計劃就毫無希望了。弦恰好處在這個臨界點上，一根用弦製作的繩子，如果懸掛在黑洞上方並垂到黑洞表面的話，它的強度恰好可以維繫自身的重量，沒有餘力再掛上電梯和貨物。這樣的繩子可以支撐它自身，但要以捨棄電梯轎廂為代價。

這樣的事實意味著，黑洞是無法開發利用的。自然本身的規律限制了我們的建築材料，即使有一根繩子可以到達黑洞稠密的熱大氣，我們也無法高效地採集能源。由於弦的強度處在臨界值，我們只能把一根稍短的繩子伸進黑洞稀薄的上層大氣中提取有限的能量。

但這樣低效率的開採並不比單純的等待好多少：黑洞的壽命仍然是m3量級，與不加干預的情況一樣。通過獲取偶爾遊盪在四周的光子，我們可以將黑洞的壽命縮減一點點，但這樣的能量提取無法達到工業規模，不能讓我們飢餓的文明得到滿足。

在這種情況下，有限的光速一直是我們的對頭。由於我們不能運動得比光快，我們無法突破黑洞的事件視界。由於我們無法從燃料中獲取多於mc2的能量，我們註定要將目光投向黑洞。但又由於繩子的強度不可能大於光速的平方乘以單位長度的質量，我們又無法充分獲取黑洞的能量。

當太陽消失以後，我們將生活在永恆的冬天中。我們也許會注意到黑洞熱大氣中儲藏的龐大能源，但獲取這樣的能源必須承擔巨大的風險。如果過於急切或過於深入地向黑洞下手，非但不能從黑洞那裡奪取輻射粒子，手裡用來撈粒子的「箱子」反而會被黑洞奪走。

等待我們的，註定是個非常寒冷的冬天嗎？

撰文：亞當·布朗（Adam Brown）

翻譯：姜小柱

審校：曹利明

作者簡介：

亞當·布朗是美國斯坦福大學的理論物理學家，他最感興趣的研究對象除了黑洞，還有大爆炸和「虛無之泡」——額外維斷裂後形成的既無物質、也沒有場，甚至時空都不存在的泡泡。

《環球科學》8月刊現已上市

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