和黑洞進行「交易」

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當我們凝望夜空,那些閃爍著光芒的星星總是能引起我們對宇宙的無限幻想,它們總是這麼令人著迷。

但在宇宙中,有一種比這些天體更加令人心馳神往的神秘存在——黑洞,它們有著無以倫比的魅力。它們的引力遠遠大於其他天體,可以吸收所有輻射,甚至連速度為每秒30萬千米的光都無法掙脫開。它們就像宇宙中最兇猛的「多足怪獸」,擅長捕捉宇宙中的其他天體,並將它們吞噬。

這麼說來,凡是進入黑洞的物質都會被吞噬然後消失殆盡?其實不然。在愛因斯坦相對論中,最簡單的黑洞即純引力的、靜態而永恒的黑洞確實如此。可是在宇宙中,存在著許多高速旋轉的黑洞,旋轉的這一特性有可能讓進入黑洞的物質有機會掙脫黑洞「魔爪」,甚至還能「偷取」黑洞的能量。

黑洞旋轉起源

黑洞旋轉的起源可以追溯到時間的開端——宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸發生後,最原始的宇宙起點以驚人的速度發生膨脹,大爆炸後產生的物質分散了這個原始起點,膨脹會導致空間一直在擴張,空間密度也持續發生改變。每個區域膨脹的速度是不一樣的,有的區域擴張很快,區域密度較低;有的區域膨脹速度慢,物質的密度很高。這些密度較大的區域內的物質在自身引力的作用下開始聚集,形成了物質團塊。

這個物質團塊不是靜止的,它有自旋現象和自己的角動量。這個團塊分裂成許多小團塊,形成更小的星系群、單個星系,最終形成恒星和行星。根據角動量守恒定律,角動量在沒有外力的作用下是不變和守恒的,因此當某個轉動物體在自身作用下分割成幾個小物體時,它的角動量也會被分割成幾個部分,所以每個小團塊都有物質團塊分配給它的角動量,小團塊角動量的總和依然等於物質團塊的角動量,它們都會有自旋現象。這一過程很像湍流水發生分離,分離會產生單個小漩渦,每個旋渦也都有自己的角動量。

在這些分裂出的小團塊中,有一部分小團塊最終會形成恒星。我們知道,恒星被認為是黑洞的前身,因為恒星的終結意味著黑洞的開端,那恒星是怎麼轉變成黑洞的呢?

原來在恒星的生命進程中,它會一直燃燒自身的燃料,當燃燒完最後一點燃料之後,在自身重力的作用下恒星開始自行坍縮,直到坍縮成一個非常小的物體,當這個物體足夠小,就可能形成黑洞。這就像一個極其巨大的物體縮小到一個很小的「點」,可想而知,這個點的密度得有多大。當然,如果恒星想要變成黑洞,它還需要有超級大的質量。當恒星生命結束,在不同的質量下它會形成不同的天體。據推測,當恒星質量在8倍太陽質量以下時,恒星結束後會形成白矮星;當恒星質量在8到20倍太陽質量之間時,恒星會形成中子星;當恒星質量達到20倍太陽質量以上時,才有可能形成恒星黑洞。

前文有提到,恒星是旋轉的,它遵循角動量守恒定律,因此為了維持角動量守恒,坍縮後的恒星會轉的更快。這就像在觀看花樣溜冰比賽時,你會發現選手們為了轉得更快,他們會收起展開的雙臂,可能還會蹲下身,才能完成高速旋轉的高難度動作。因此,當恒星開始坍縮時,它的角動量會讓它轉得越來越快,直到完全變形為黑洞為止。因此,黑洞不僅會旋轉,它的旋轉速度還意想不到地快,甚至有些黑洞每秒能轉上幾百萬圈!

逃出黑洞能層,完成能量交易

跟靜止的黑洞一樣,旋轉的黑洞也有奇點。「點怎麼會旋轉呢?」確實,奇點在嚴格意義上不是一個點,而是一個沒有厚度的環,它收集了黑洞的所有質量,轉速極快,黑洞可以說是繞著這個「點」在運動。因為它速度很快,所以黑洞的旋轉速度也很快,甚至快到它可以形變時間和空間,黑洞附近的空間會發生扭曲,形成了一個極為特殊的區域:能層,這是一個轉速極大的詭異區域。

旋轉的黑洞也有事件視界。在事件視界內部,時間和空間全部都會崩壞,所有物質無法逃逸。而能層位於事件視界的外圍,那里的時空處於半崩壞狀態,在這里,我們無法確定物質會出現什麼行為,可能無法逃逸,但也有可能進去之後再出來。

物質投進旋轉的能層中,就像以螺旋的方式進入死亡旋渦。黑洞會給投入能層的物體提供一個旋轉動能,因此進入能層的物體會發生旋轉。如果你想靜止在能層中,你不僅需要和能層旋轉方向相反,速度還要比光快,這樣才可能靜止在能層中,但這幾乎是不可能的,畢竟連光都不一定能掙脫開它。所以當物質投入能層,物質一定會跟著能層旋轉。

物質的絕對旋轉性讓科學家們靈光一現:「物質從靜止到旋轉不就說明黑洞把動能傳遞給物質了嗎?」那麼最簡單的「偷取」黑洞能量的方式莫過於往能層中投擲物質了。當物質投入能層後,黑洞會將自己的一部分動能傳遞給這個物質,然後物質在能層中圍繞黑洞旋轉。當物質獲取的黑洞的動能足夠大,大到可以逃離能層時,黑洞的動能就會被物質帶走。

以進入能層的火箭為例。當火箭進入能層,黑洞會將自己的一小部分動能傳遞給火箭,此時火箭在黑洞的推動下轉速變大。當轉速大到一定程度時,火箭上已經存儲了黑洞的一部分能量,此時若能使火箭偏離黑洞,逃出能層,返回地球,我們就能得到黑洞的能量了。若是把火箭一些質量較大的部件丟在黑洞里,火箭返回地球損失的能量也會減少。這樣,火箭和黑洞也算是完成了能量與質量的「交易」。

鏡子做的「大炸彈」

物質進出能層後存儲的能量會變多,那如果它一直反復進出會出現什麼樣的情況呢?這個物質能量會變得越來越大,科學家為此產生一個瘋狂的想法:如果把黑洞封閉起來,它將是一個存儲爆炸性能量的「炸彈」。

這個瘋狂的想法比戴森球的設想瘋狂N倍,但原理與戴森球類似。戴森球是可以收集恒星能量的假想結構,由衛星組成,它是一個球形殼狀結構。黑洞大炸彈則由鏡子拼接而成,這些鏡子通過航空器運到太空中,並擺放在黑洞能層外。它們帶有許多棱角,可以通過拼接很緊密地貼合在一起,沒有縫隙,還和戴森球一樣,可以完全包裹天體。但戴森球是包裹恒星,黑洞大炸彈則是包裹黑洞。

你可能會有疑問:「鏡子怎麼能做成炸彈呢?」可是在科學家眼中,鏡子確實可以,但是當然不會是我們熟知的普通鏡子。這種鏡子不能因進入宇宙後環境壓力的變化而破裂,也不能在包圍黑洞時,被黑洞強大的吸引力控制,否則將無法固定在黑洞周圍。如果一塊鏡子因承受不住宇宙環境而破裂,或是直接被黑洞吸入無底深淵,那我們的「鏡子大炸彈」是永遠不可能構建成功的。

在擺放了很多的特殊鏡子並將它們完全貼合之後,就形成了鏡子殼狀體,黑洞在這個殼狀體里依然高速旋轉著。此時打開其中一個鏡子,往黑洞里發射電磁波。電磁波會分成兩個部分,一部分波進入黑洞的事件視界,被黑洞完全吞噬,消失在黑洞中;但另一部分波會進入能層,進入能層的電磁波在黑洞動能的作用下,輻射能量變大。當輻射達到臨界值,電磁波就可以從能層中逃逸出來。因為黑洞被包圍,逃逸出來的電磁波又會遇到鏡子,因此又繼續反射回能層,黑洞又會將部分動能傳遞給射到能層里的電磁波。電磁波在黑洞和鏡子之間來回反射,每反射一次能量就加強一次,最終會產生超輻射現象。

如果此時在殼狀體上開一個小縫,就會有大量輻射從縫中噴湧而出,我們就可以得到黑洞的能量,這些能量也許可以供我們使用數萬億年,人類文明也能得以維系。但再堅固的鏡子殼狀體也有無法承受的那一天,當輻射過於強烈,鏡子會發生散架,此時鏡子里無窮大的能量將如海嘯般席卷黑洞周圍的所有物質,釋放出的能量可能等同於一個超新星爆發,將造成前所未有的大爆炸事件。

黑洞著實是個神秘的存在,我們從來沒有真正地看見過它,也不敢去真正地靠近它,因為我們擔心會被它強大的引力撕扯成碎片,瞬間灰飛煙滅。但我們卻有機會跟它「遠程交易」,仿佛它只是一個普通的商人。

小貼士:什麼是角動量守恒?

角動量是描述物體轉動狀態的量,它是物體質量、速度和運動軌道半徑的乘積。在沒有外力作用下,物體的角動量是不變的、守恒的,它不會無緣無故消失。比如對於自旋的物體來說,即便物體分割成幾個小物體,它們的角動量總和依然等於原來物體的角動量;而對於圍繞某個點轉動的物體來說,當物體的軌道半徑變小,質量不變,速度就會增大。

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