科学家在实验室验证：从黑洞中提取能量成为可能
科学家在实验室验证：从黑洞中提取能量成为可能
黑洞，这个宇宙中最神秘的天体，一直以来都被认为是只进不出的“吞噬者”。然而，科学家们发现，黑洞不仅会通过霍金辐射缓慢蒸发，更可以通过一种被称为泽尔多维奇效应的物理现象，实现能量的提取。最近，一个科研团队在实验室中成功验证了这一理论，为未来从黑洞中获取能源开辟了新的可能性。
旋转黑洞的想象图。图片来源：ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser
霍金辐射：黑洞的缓慢蒸发
黑洞的引力极其强大，任何物质和辐射都无法逃脱其引力束缚。然而，根据量子力学理论，即使在真空中，也会不断产生虚粒子对。如果这些虚粒子对在黑洞的事件视界附近产生，其中一个粒子可能会被吸入黑洞，而另一个粒子则可能逃逸，形成所谓的霍金辐射。
霍金辐射会导致黑洞缓慢失去能量和质量，最终完全蒸发。但是，这个过程极其缓慢。例如，一个质量相当于太阳的黑洞，其完全蒸发所需的时间是当前宇宙年龄的10⁵⁷倍。而且，这种辐射的能量极其微弱，相当于温度低至60纳开尔文的黑体辐射，远低于人类目前能够制造的最低温度。
从“高能大气”中提取能量
虽然直接利用霍金辐射提取能量不现实，但科学家们发现，黑洞周围存在另一种可能的能量来源。在黑洞事件视界外侧，由于粒子的加速运动，会形成一层“高能大气”。如果能够将这部分能量提取出来，黑洞的蒸发时间将从质量的三次方缩短到一次方，这意味着可以获取海量的能量。
然而，这种方法面临一个巨大的技术难题：需要一根足够结实的绳子，能够承受黑洞的引力并将“高能大气”拉出。根据物理定律，任何绳子的张力都不可能超过其单位长度质量乘以光速平方的值。这意味着，即使是最坚固的材料，也无法承受黑洞边缘的引力。
图片来源：《环球科学》2015年3月刊《从黑洞提取能量》
彭罗斯过程：丢垃圾也能发电
早在1969年，物理学家罗杰·彭罗斯就提出了一种从黑洞提取能量的方法。他设想，一艘飞船携带废料接近黑洞的能层区域，将废料丢入黑洞，飞船则会获得动能。这种被称为彭罗斯过程的方法，理论上可以通过丢弃物质来获取能量。
然而，实际操作中，使用物理飞船效率低下且工程难度极大。幸运的是，电磁波提供了一个更高效的替代方案。彭罗斯提出，朝旋转黑洞射出一束光，由于参考系拖拽效应，部分光会被放大。这一理论在1971年得到了前苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇的证实，他证明旋转圆柱体也能放大入射的电磁波，只要旋转频率超过入射电磁波的频率。
实验验证：旋转物体放大电磁波
2020年，一个科研团队首次用声波验证了泽尔多维奇效应。虽然声波与电磁波有本质区别，但这一发现为后续研究提供了重要参考。4年后，同一团队在《自然·通讯》上发表论文，成功观测到旋转物体对电磁波的放大作用。他们使用LC振荡电路产生低频电磁波，并在电路中放置一个快速旋转的铝圆柱体。当铝圆柱体的旋转速度超过振荡电路的频率时，磁场被放大，证实了旋转物体确实可以放大电磁波。
用旋转铝圆柱放大电磁波的实验示意图，可以用相同的原理从黑洞提取能量。图片来源：Braidotti, et al
展望未来：黑洞或成能源新选择
这一发现为从黑洞中提取能量提供了新的可能。黑洞的参考系拖拽效应足以影响周围恒星的轨道，而电磁波的高效提取方式，使得从黑洞获取能量成为可能。虽然目前这仍属于理论研究阶段，但随着科技的发展，或许有一天，黑洞真的会成为人类的能源新选择。