从黑洞提取能量

作者：admin 时间： 2025-11-08 134 人浏览

撰文亚当·布朗（美国斯坦福大学的理论物理学家）

翻译姜小柱(中国科技大学理论物理硕士研究生)

审校曹利明(中国科技大学物理学院教授)

总有一天太阳会陨落，供其进行核聚变的燃料会耗尽，世界会变得阴冷。如果届时地球仍然健在，人类将会坠入永恒的严冬中。为了生存，我们的后代需要另谋出路——也许，他们首先会耗尽地球的能源，然后是太阳系的，最终，可见宇宙范围内所有星系中的所有恒星的能源都会被消耗殆尽。当没有任何剩余能源可用时，他们肯定会把目光投向最后的能量仓库：黑洞。我们的后代能从黑洞中获取能源，并延续我们的文明吗？

这篇文章中，我带来了一些坏消息。这样的计划是行不通的。原因要归咎于量子弦这种奇异实体的物理特性，以及科幻小说一直钟爱的太空电梯。

虚幻的希望

乍看之下，从黑洞中提取能量或者其他任何东西都是不可能的。毕竟，黑洞被一个“事件视界”包围着，这是一个有去无回的球面，球面内的引力场会变得无限大。任何误入这个球面的东西都注定会毁灭。因此，一台抡着大铁球，企图从视界上破开一个洞，从而把能量释放出来的吊车不仅不会成功，自己反而会被破坏，连带着不幸的驾驶员一起被黑洞吞没。投入黑洞的炸弹非但不能摧毁黑洞，反而会让它变得更大，增加的量就等于炸弹的质量。进入到黑洞中的任何东西都无法出来：陨石不能，火箭不能，甚至光也不能。

我们过去基本上就是这么认为的。但是，斯蒂芬·霍金（StephenHawking）在1974年发表的那篇让我最为震惊，也最为兴奋的物理学论文证明，我们过去的想法是错误的。在雅各布·贝肯斯坦（，目前就职于耶路撒冷希伯来大学）的早期思想的基础上，霍金证明黑洞会泄漏出少量辐射。如果你掉入黑洞的话还是会死，不过，尽管你本人永远无法逃出来，但你的能量可以出来。这对于未来的黑洞能源开发者是一个好消息：能量是可以逃出来的。

能量能够逃离出来的奥秘，隐藏在量子力学的神秘世界中。量子物理的一个标志性现象是，粒子可以穿过本不可能穿过的障碍。一个向着势垒（势能比周围高的区域，在经典物理范畴内，粒子的能量必须足够高才能从这个区域翻越过去）运动的粒子有时会出现在势垒的另一边。不要在家里尝试这种行为——将自己撞向一堵墙，你是不可能毫发无伤地出现在墙的另一边的。但是，微观粒子的隧穿效应就容易得多。

量子隧穿是α粒子（一个氦核）能够挣脱放射性铀核的原因，也是霍金辐射能从黑洞中泄露出的原因。粒子挣脱事件视界并不是直接突破了那近乎无限强的引力场，而是通过量子隧穿实现的。（当然，没有人见过黑洞辐射。但这是将量子力学应用到弯曲时空所得到的令人信服的数学结果，任何人都不会怀疑的。）

由于黑洞会发出辐射，我们也许就有希望获取它们的能量。但真正的困难在于细节方面。无论我们如何去尝试提取这些能量，都将困难重重。

一个简单的方法就是等待。经过足够长的时间后，黑洞会一个光子一个光子地将自己的能量释放回宇宙中，进入我们等待的双手里。每损失一点能量，黑洞都会减小一点，直到最后消失不见。从这个意义上来说，黑洞就像一杯美味可口的咖啡，你不能接触它的表面，否则就会被引力撕裂。但仍然有一种办法可以享受到这杯危险的咖啡，那就是等着它蒸发，然后吸入蒸发出的气体。

遗憾的是，虽然等待是一个简单的办法，但这个过程极其缓慢。黑洞非常黯淡，一个质量与太阳相等的黑洞，发出的辐射相当于温度低至60纳开尔文的黑体（也就是说，这个黑体的温度距离绝对零度只有0.00000006度）。20世纪80年代以前，我们还无法在实验室中将物体冷却到那样的低温。要使一个质量相当于太阳的黑洞完全蒸发掉，需要的时间无比漫长，是现今宇宙年龄的1057倍。一般来说，一个黑洞的寿命等于其质量的立方——m3。因此，我们浑身打颤的后代们必须要加快行事才行。

以上节选自《环球科学》2015年3月号封面故事《从黑洞提取能量》。

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他们改变中国

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政府的创新角色

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在任何以创新驱动经济增长的国家里，政府从来都没有成为私营企业的掣肘，相反，它一直是私营企业最重要的合作伙伴。

封面故事从黑洞提取能量

撰文亚当·布朗（斯坦福大学理论物理学家）

当所有恒星都熄灭之时，会发出霍金辐射的黑洞反而会成为唯一的能源。而要获取黑洞能源，就得建造出能够抵达黑洞附近，收集能量的太空电梯。但黑洞强大的引力对电梯线缆的强度提出了极高的要求，即使是强度已达极限的弦——弦理论中构成一切物质的基本成分，恐怕也难以胜任。

环境资源危机新解

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神经科学植入电极：从源头治疗抑郁症

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翻译徐新杰（北京大学神经科学研究所博士）

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核污染福岛：核辐射实验场

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神经科学冥想之力重塑大脑

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