和黑洞進行“交易”

穆婕

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，它們總是這么令人著迷。

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。它們的引力遠遠大于其他天體，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，并將它們吞噬。

這么說來，凡是進入黑洞的物質都會被吞噬然后消失殆盡？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。

宇宙大爆炸發生后，最原始的宇宙起點以驚人的速度發生膨脹，大爆炸后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于物質團塊的角動量，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，那恒星是怎么轉變成黑洞的呢？

原來在恒星的生命進程中，它會一直燃燒自身的燃料，當燃燒完最后一點燃料之后，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，恒星結束后會形成白矮星;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，坍縮后的恒星會轉的更快。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。“點怎么會旋轉呢？”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。而能層位于事件視界的外圍，那里的時空處于半崩壞狀態，在這里，我們無法確定物質會出現什么行為，可能無法逃逸，但也有可能進去之后再出來。

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？”那么最簡單的“偷取”黑洞能量的方式莫過于往能層中投擲物質了。當物質投入能層后，黑洞會將自己的一部分動能傳遞給這個物質，然后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”

物質進出能層后存儲的能量會變多，那如果它一直反復進出會出現什么樣的情況呢？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，并擺放在黑洞能層外。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：“鏡子怎么能做成炸彈呢？”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后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并將它們完全貼合之后，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涌而出，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，當輻射過于強烈，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于一個超新星爆發，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

什么是角動量守恒？

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。比如對于自旋的物體來說，即便物體分割成幾個小物體，它們的角動量總和依然等于原來物體的角動量;而對于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。