和黑洞進(jìn)行“交易”

穆婕

當(dāng)我們凝望夜空，那些閃爍著光芒的星星總是能引起我們對(duì)宇宙的無(wú)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(wú)以倫比的魅力。它們的引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他天體，可以吸收所有輻射，甚至連速度為每秒30萬(wàn)千米的光都無(wú)法掙脫開(kāi)。它們就像宇宙中最兇猛的“多足怪獸”，擅長(zhǎng)捕捉宇宙中的其他天體，并將它們吞噬。

這么說(shuō)來(lái)，凡是進(jìn)入黑洞的物質(zhì)都會(huì)被吞噬然后消失殆盡？其實(shí)不然。在愛(ài)因斯坦相對(duì)論中，最簡(jiǎn)單的黑洞即純引力的、靜態(tài)而永恒的黑洞確實(shí)如此。可是在宇宙中，存在著許多高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，旋轉(zhuǎn)的這一特性有可能讓進(jìn)入黑洞的物質(zhì)有機(jī)會(huì)掙脫黑洞“魔爪”，甚至還能“偷取”黑洞的能量。

黑洞旋轉(zhuǎn)起源

黑洞旋轉(zhuǎn)的起源可以追溯到時(shí)間的開(kāi)端——宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸發(fā)生后，最原始的宇宙起點(diǎn)以驚人的速度發(fā)生膨脹，大爆炸后產(chǎn)生的物質(zhì)分散了這個(gè)原始起點(diǎn)，膨脹會(huì)導(dǎo)致空間一直在擴(kuò)張，空間密度也持續(xù)發(fā)生改變。每個(gè)區(qū)域膨脹的速度是不一樣的，有的區(qū)域擴(kuò)張很快，區(qū)域密度較低;有的區(qū)域膨脹速度慢，物質(zhì)的密度很高。這些密度較大的區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)在自身引力的作用下開(kāi)始聚集，形成了物質(zhì)團(tuán)塊。

這個(gè)物質(zhì)團(tuán)塊不是靜止的，它有自旋現(xiàn)象和自己的角動(dòng)量。這個(gè)團(tuán)塊分裂成許多小團(tuán)塊，形成更小的星系群、單個(gè)星系，最終形成恒星和行星。根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，角動(dòng)量在沒(méi)有外力的作用下是不變和守恒的，因此當(dāng)某個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)物體在自身作用下分割成幾個(gè)小物體時(shí)，它的角動(dòng)量也會(huì)被分割成幾個(gè)部分，所以每個(gè)小團(tuán)塊都有物質(zhì)團(tuán)塊分配給它的角動(dòng)量，小團(tuán)塊角動(dòng)量的總和依然等于物質(zhì)團(tuán)塊的角動(dòng)量，它們都會(huì)有自旋現(xiàn)象。這一過(guò)程很像湍流水發(fā)生分離，分離會(huì)產(chǎn)生單個(gè)小漩渦，每個(gè)旋渦也都有自己的角動(dòng)量。

在這些分裂出的小團(tuán)塊中，有一部分小團(tuán)塊最終會(huì)形成恒星。我們知道，恒星被認(rèn)為是黑洞的前身，因?yàn)楹阈堑慕K結(jié)意味著黑洞的開(kāi)端，那恒星是怎么轉(zhuǎn)變成黑洞的呢？

原來(lái)在恒星的生命進(jìn)程中，它會(huì)一直燃燒自身的燃料，當(dāng)燃燒完最后一點(diǎn)燃料之后，在自身重力的作用下恒星開(kāi)始自行坍縮，直到坍縮成一個(gè)非常小的物體，當(dāng)這個(gè)物體足夠小，就可能形成黑洞。這就像一個(gè)極其巨大的物體縮小到一個(gè)很小的“點(diǎn)”，可想而知，這個(gè)點(diǎn)的密度得有多大。當(dāng)然，如果恒星想要變成黑洞，它還需要有超級(jí)大的質(zhì)量。當(dāng)恒星生命結(jié)束，在不同的質(zhì)量下它會(huì)形成不同的天體。據(jù)推測(cè)，當(dāng)恒星質(zhì)量在8倍太陽(yáng)質(zhì)量以下時(shí)，恒星結(jié)束后會(huì)形成白矮星;當(dāng)恒星質(zhì)量在8到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間時(shí)，恒星會(huì)形成中子星;當(dāng)恒星質(zhì)量達(dá)到20倍太陽(yáng)質(zhì)量以上時(shí)，才有可能形成恒星黑洞。

前文有提到，恒星是旋轉(zhuǎn)的，它遵循角動(dòng)量守恒定律，因此為了維持角動(dòng)量守恒，坍縮后的恒星會(huì)轉(zhuǎn)的更快。這就像在觀看花樣溜冰比賽時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)選手們?yōu)榱宿D(zhuǎn)得更快，他們會(huì)收起展開(kāi)的雙臂，可能還會(huì)蹲下身，才能完成高速旋轉(zhuǎn)的高難度動(dòng)作。因此，當(dāng)恒星開(kāi)始坍縮時(shí)，它的角動(dòng)量會(huì)讓它轉(zhuǎn)得越來(lái)越快，直到完全變形為黑洞為止。因此，黑洞不僅會(huì)旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)速度還意想不到地快，甚至有些黑洞每秒能轉(zhuǎn)上幾百萬(wàn)圈！

逃出黑洞能層，完成能量交易

跟靜止的黑洞一樣，旋轉(zhuǎn)的黑洞也有奇點(diǎn)。“點(diǎn)怎么會(huì)旋轉(zhuǎn)呢？”確實(shí)，奇點(diǎn)在嚴(yán)格意義上不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)沒(méi)有厚度的環(huán)，它收集了黑洞的所有質(zhì)量，轉(zhuǎn)速極快，黑洞可以說(shuō)是繞著這個(gè) “點(diǎn)”在運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樗俣群芸欤院诙吹男D(zhuǎn)速度也很快，甚至快到它可以形變時(shí)間和空間，黑洞附近的空間會(huì)發(fā)生扭曲，形成了一個(gè)極為特殊的區(qū)域：能層，這是一個(gè)轉(zhuǎn)速極大的詭異區(qū)域。

旋轉(zhuǎn)的黑洞也有事件視界。在事件視界內(nèi)部，時(shí)間和空間全部都會(huì)崩壞，所有物質(zhì)無(wú)法逃逸。而能層位于事件視界的外圍，那里的時(shí)空處于半崩壞狀態(tài)，在這里，我們無(wú)法確定物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)什么行為，可能無(wú)法逃逸，但也有可能進(jìn)去之后再出來(lái)。

物質(zhì)投進(jìn)旋轉(zhuǎn)的能層中，就像以螺旋的方式進(jìn)入死亡旋渦。黑洞會(huì)給投入能層的物體提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，因此進(jìn)入能層的物體會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果你想靜止在能層中，你不僅需要和能層旋轉(zhuǎn)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(kāi)它。所以當(dāng)物質(zhì)投入能層，物質(zhì)一定會(huì)跟著能層旋轉(zhuǎn)。

物質(zhì)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)性讓科學(xué)家們靈光一現(xiàn)：“物質(zhì)從靜止到旋轉(zhuǎn)不就說(shuō)明黑洞把動(dòng)能傳遞給物質(zhì)了嗎？”那么最簡(jiǎn)單的“偷取”黑洞能量的方式莫過(guò)于往能層中投擲物質(zhì)了。當(dāng)物質(zhì)投入能層后，黑洞會(huì)將自己的一部分動(dòng)能傳遞給這個(gè)物質(zhì)，然后物質(zhì)在能層中圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。當(dāng)物質(zhì)獲取的黑洞的動(dòng)能足夠大，大到可以逃離能層時(shí)，黑洞的動(dòng)能就會(huì)被物質(zhì)帶走。

以進(jìn)入能層的火箭為例。當(dāng)火箭進(jìn)入能層，黑洞會(huì)將自己的一小部分動(dòng)能傳遞給火箭，此時(shí)火箭在黑洞的推動(dòng)下轉(zhuǎn)速變大。當(dāng)轉(zhuǎn)速大到一定程度時(shí)，火箭上已經(jīng)存儲(chǔ)了黑洞的一部分能量，此時(shí)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(zhì)量較大的部件丟在黑洞里，火箭返回地球損失的能量也會(huì)減少。這樣，火箭和黑洞也算是完成了能量與質(zhì)量的“交易”。

鏡子做的“大炸彈”

物質(zhì)進(jìn)出能層后存儲(chǔ)的能量會(huì)變多，那如果它一直反復(fù)進(jìn)出會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況呢？這個(gè)物質(zhì)能量會(huì)變得越來(lái)越大，科學(xué)家為此產(chǎn)生一個(gè)瘋狂的想法：如果把黑洞封閉起來(lái)，它將是一個(gè)存儲(chǔ)爆炸性能量的“炸彈”。

這個(gè)瘋狂的想法比戴森球的設(shè)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(jié)構(gòu)，由衛(wèi)星組成，它是一個(gè)球形殼狀結(jié)構(gòu)。黑洞大炸彈則由鏡子拼接而成，這些鏡子通過(guò)航空器運(yùn)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(guò)拼接很緊密地貼合在一起，沒(méi)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(huì)有疑問(wèn)：“鏡子怎么能做成炸彈呢？”可是在科學(xué)家眼中，鏡子確實(shí)可以，但是當(dāng)然不會(huì)是我們熟知的普通鏡子。這種鏡子不能因進(jìn)入宇宙后環(huán)境壓力的變化而破裂，也不能在包圍黑洞時(shí)，被黑洞強(qiáng)大的吸引力控制，否則將無(wú)法固定在黑洞周圍。如果一塊鏡子因承受不住宇宙環(huán)境而破裂，或是直接被黑洞吸入無(wú)底深淵，那我們的“鏡子大炸彈”是永遠(yuǎn)不可能構(gòu)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(gè)殼狀體里依然高速旋轉(zhuǎn)著。此時(shí)打開(kāi)其中一個(gè)鏡子，往黑洞里發(fā)射電磁波。電磁波會(huì)分成兩個(gè)部分，一部分波進(jìn)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(huì)進(jìn)入能層，進(jìn)入能層的電磁波在黑洞動(dòng)能的作用下，輻射能量變大。當(dāng)輻射達(dá)到臨界值，電磁波就可以從能層中逃逸出來(lái)。因?yàn)楹诙幢话鼑右莩鰜?lái)的電磁波又會(huì)遇到鏡子，因此又繼續(xù)反射回能層，黑洞又會(huì)將部分動(dòng)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(lái)回反射，每反射一次能量就加強(qiáng)一次，最終會(huì)產(chǎn)生超輻射現(xiàn)象。

如果此時(shí)在殼狀體上開(kāi)一個(gè)小縫，就會(huì)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(shù)萬(wàn)億年，人類文明也能得以維系。但再堅(jiān)固的鏡子殼狀體也有無(wú)法承受的那一天，當(dāng)輻射過(guò)于強(qiáng)烈，鏡子會(huì)發(fā)生散架，此時(shí)鏡子里無(wú)窮大的能量將如海嘯般席卷黑洞周圍的所有物質(zhì)，釋放出的能量可能等同于一個(gè)超新星爆發(fā)，將造成前所未有的大爆炸事件。

黑洞著實(shí)是個(gè)神秘的存在，我們從來(lái)沒(méi)有真正地看見(jiàn)過(guò)它，也不敢去真正地靠近它，因?yàn)槲覀儞?dān)心會(huì)被它強(qiáng)大的引力撕扯成碎片，瞬間灰飛煙滅。但我們卻有機(jī)會(huì)跟它“遠(yuǎn)程交易”，仿佛它只是一個(gè)普通的商人。

小貼士

什么是角動(dòng)量守恒？

角動(dòng)量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的量，它是物體質(zhì)量、速度和運(yùn)動(dòng)軌道半徑的乘積。在沒(méi)有外力作用下，物體的角動(dòng)量是不變的、守恒的，它不會(huì)無(wú)緣無(wú)故消失。比如對(duì)于自旋的物體來(lái)說(shuō)，即便物體分割成幾個(gè)小物體，它們的角動(dòng)量總和依然等于原來(lái)物體的角動(dòng)量;而對(duì)于圍繞某個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體來(lái)說(shuō)，當(dāng)物體的軌道半徑變小，質(zhì)量不變，速度就會(huì)增大。