從黑洞“偷取”太空旅行的動力

石無魚

眾所周知，黑洞的引力是如此之大，以至于宇宙中跑得最快的光，如果靠得太近，也會被它像吸面條一樣吸進去。至于掉進黑洞的物質，更是別指望它們能出來。既然如此，看到這個題目，你必定會很奇怪：那怎么能從這樣一個如此吝嗇的“守財奴”那里“偷取”能量呢？

我沒說錯，是從黑洞“偷”能量，而且還是讓人類的飛船去偷，偷來能量給自己加速，從而實現星際旅行的美夢——甚至，這一切都不涉及詭秘的量子過程。

引力彈弓效應

如果你看過2019年的賀歲片《流浪地球》，你或許還記得，地球為了獲得第三宇宙速度（617.7千米/秒），逃出太陽系，不得不向木星借力，結果還差點被木星俘獲。這個借力實際上利用了天文學上的“引力彈弓效應”。飛行器往往利用引力彈弓效應來零消耗地改變方向、提升速度，送達目標軌道。

這個“力”怎么借呢？為了說清楚這一點，我們先來看兩個例子。

例一：有一個乒乓球，以30千米/小時的速度朝一堵墻水平飛去，假設球與墻壁發生彈性碰撞（即假設球沒有損失任何能量），那么它將以30千米/小時的速度彈回，只是與原運動方向相反。

例二：現在，假設這堵墻動了起來，以50千米/小時的速度向前行駛（你可以把它想象成車頭上的玻璃窗），你迎著它以30千米/小時的水平速度（相對地面）拋出一個乒乓球。假設球和墻壁依然發生彈性碰撞，那么請問：相對地面，球將以多大的速度彈回呢？

30千米/小時嗎？（30+50=80）千米/小時？都不對！

這個問題我們可以這樣來考慮：首先，以運動的墻為參照系。在這里墻是靜止的，球以（30+50=80）千米/小時朝它運動去。在這種情況下，根據例一，我們很快知道，球將以80千米/小時的速度彈回。但注意，這個80千米/小時是球相對墻的速度，而現在墻以50千米/小時向前移動。如果站在地面看，應該是：球相對地面的速度=球相對墻的速度+墻相對地面的移動速度=（80+50）千米/小時=130千米/小時！

在這里，球向移動的墻借力，獲得了2倍墻移動速度（即50×2=100千米/小時）的額外速度。球獲得額外的速度，自然也獲得了額外的動能。但這個能量不是平白無故產生的。根據能量守恒定律，移動的墻必定要損失能量，因此速度減慢。只是考慮到墻的質量比乒乓球大許多，這個速度變化可以忽略不計。

現在我們來看引力彈弓效應。

假設飛行器以V的速度（相對太陽）飛向一顆行星，再假設行星相對太陽靜止不動（你不如直接把它想象成太陽好了），在行星引力作用下，飛行器的軌道發生彎曲，在繞了行星半周之后，仍以V的速度飛出，只是方向正好調了個頭。

這種情況是不是跟例一很相似？區別僅在于那里發生了彈性碰撞，這里則是引力作用。

現在，行星相對太陽不是靜止的，而是以U的速度運動。飛行器的情況不變。那么請問，飛行器繞行星半周之后飛出時，相對太陽的速度是多少？有了例二的知識準備，就不難回答了：V+2U。換句話說，飛行器在沒任何能量消耗的情況下，獲得了2U的額外速度。

如何從黑洞“偷取”能量？

但這一切跟從黑洞“偷取”能量有什么關系呢？

理論上講，只要把上節的“行星”換作“黑洞”，宇宙飛船就可以利用黑洞的引力彈弓效應來提升自己的速度——你瞧，從黑洞“偷”能量還是不難理解的，是不是？

然而，正如地球借力木星是一個冒險的行動，飛船借力黑洞也是一個冒險的操作，因為有永遠掉進黑洞魔爪的危險。

高速運動的雙黑洞系統

幸運的是，美國哥倫比亞大學的一位理論物理學家發現，我們不需要拿飛船本身去冒險，你可以讓飛船發射的一束激光去玩引力彈弓游戲。

方法是這樣：如果飛船以適當的角度向一個朝著它運動過來的黑洞發射一束激光，只要距離不要太靠近，那么這束激光將沿著黑洞周圍極度扭曲的空間，繞黑洞半周之后，原路返回。根據廣義相對論的計算，雖然光速前后保持不變，但光折返時所帶的能量將比之前多了——正如上一節的分析，光通過引力彈弓效應，從黑洞獲得了額外的能量。這個額外能量將以光的波長變短的形式表現出來（因為我們知道，單個光子的能量與波長成反比）。當光束反射回來時，如果飛船能及時將其捕獲，那額外的能量就可以給飛船提供動力。

黑洞相對飛船的運動速度越快，這個“竊計”越奏效。這位物理學家計算了一下，當一個黑洞以0.6c（c為光速）的速度朝飛船運動時，飛船將能被加速到0.78c。他將這種獲得能量的方式稱為“光環驅動”，因為激光會在黑洞周圍產生光環。

構建星際高速路網絡

但是，到哪里去找運動速度如此之快的黑洞呢？

這類黑洞還是有的，比如在雙黑洞系統中。在這類系統中，兩個黑洞的引力太強了，當它們彼此繞著對方轉時，需要以極大的速度，才能產生足夠的離心力，用以抵抗萬有引力。

不過，為了能夠利用“光環驅動”，我們的飛船首先得星際旅行到這樣一對黑洞附近，其次還需要非常強大的激光。這些對于我們都是不容易克服的障礙。

但是往好處想，一旦克服了這些障礙，我們就可以利用分布于整個宇宙的雙黑洞系統充當“加油站”，構建一張星際高速路網絡。人類的飛船就能在“高速路”上來回穿梭，星際旅行中困擾我們的動力問題，也就迎刃而解了。

（姚梅芬摘自《大科技·科學之謎》2020年第1期）