都說黑洞“一毛不拔” 科學家卻想從中“榨取”能量
都說黑洞“一毛不拔” 科學家卻想從中“榨取”能量
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(fā)表在《自然物理學》期刊上。
50年前就有大膽猜想
1969年,英國數(shù)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(jù)不同的分類標準分成多種類型。如果根據(jù)黑洞的3個參量——質(zhì)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(zhuǎn);萊斯納黑洞,帶有電荷但不旋轉(zhuǎn);克爾黑洞,旋轉(zhuǎn)但不帶電荷;克爾一紐曼黑洞,既帶電荷也會旋轉(zhuǎn)。彭羅斯過程針對的就是后面兩類黑洞,即旋轉(zhuǎn)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?!敝袊茖W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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)能量為負,逃逸的物質(zhì)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(zhuǎn)動能。”中國科學技術大學天文學系教授袁業(yè)飛在接受科技日報記者采訪時表示,逃逸的物質(zhì)能量增加,黑洞的能量必然減少,實際上就是黑洞的旋轉(zhuǎn)速度慢了下來,轉(zhuǎn)動能有所損失??梢灶A判,被吸入的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)方向必然會與黑洞的旋轉(zhuǎn)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(xiàn)。
1971年,即彭羅斯過程提出2年后,蘇聯(lián)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(zhuǎn)的黑洞,再向其發(fā)射光波。他預言光波會被圓柱體“放大”,即轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)的速率足夠大,至少應與入射光波頻率數(shù)值相當?!痹瑯I(yè)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(nèi)要轉(zhuǎn)動100萬圈甚至10億圈,這是現(xiàn)實中的機械馬達無法實現(xiàn)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(yè)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(zhuǎn)速就能降到人為可實現(xiàn)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(zhì),并不代表彭羅斯過程真能實現(xiàn)。因為黑洞離我們很遙遠,無法在現(xiàn)有條件下用黑洞做實驗去驗證?!痹瑯I(yè)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(zhuǎn)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(fā)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(zhí)著追求。
“目前學者們提出了兩種思路?!痹瑯I(yè)飛說。
一種是提取黑洞的轉(zhuǎn)動能。當然,這一思路針對的是旋轉(zhuǎn)黑洞。根據(jù)能量守恒定律,如果我們從中成功獲取能量,黑洞的轉(zhuǎn)速將會降低,損失一部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)槲矬w動能的常見例子。黑洞也是如此,如果將處于等離子體態(tài)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(zhuǎn)化為物體的動能,再轉(zhuǎn)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(yè)飛補充道,據(jù)估計,黑洞引力能的能量提取率約為5.7%??蓜e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(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程,1克物質(zhì)通過黑洞的引力能轉(zhuǎn)換后,獲取的能量理論上要高出其靜止質(zhì)量對應能量的5.7%,這一數(shù)值極為可觀。
而對于提取黑洞轉(zhuǎn)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(shù)不勝數(shù)。此前有科學家估算過,質(zhì)量大于10倍太陽質(zhì)量的黑洞數(shù)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(fā)現(xiàn)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(fā)!
然而,理想很豐滿,現(xiàn)實卻很骨感。目前由于諸多現(xiàn)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(zhì)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(fā)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?!痹瑯I(yè)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(jīng)在現(xiàn)代成為了現(xiàn)實?!昂芏鄷r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(fā)芽?!逼埨娬f。
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