比太阳还亮的黑洞，解决未来能源危机，全靠它

书接上文《黑洞，光线的死胡同，那堵墙是什么样？ 》，本文要讲述的话题是黑洞可以用来解决人类未来的能源危机，那些什么关于宇宙命运的大课题，咱们不去探讨了，因为，老郭跟各位小伙伴一样，更注重实用性。

要了解黑洞如何能变得比太阳还耀眼，变成一个能持续释放能量的天体，就要先了解一下与黑洞有关的能量转换问题。这个问题我只在前文中提到了一点点——霍金辐射，量子力学在经历了上世纪20年代的高速发展之后，已经进入到了当代量子场论。

在量子场论中，波和粒子都消失了，它们被“场”所代替，这些物理概念可以描述所有可能的物质状态，真空不再是一无所有的，而是能量非常小，但不为零的场状态。同时，在微观世界里不存在绝对的静止，一个系统的能量在微观世界中持续波动。

量子波动

在真空状态下，这些波动表现为“虚粒子”瞬间在真空中出现和消失。在无限小的情况下，这种现象会违反质能守恒定律，前提是能量可以快速得到补偿，不过我们无法直接观察到这种转瞬即逝的虚拟粒子与真实粒子之间的相互作用。

当能量守恒被瞬时打破，但电荷守恒却始终保持着，即，虚粒子总是以粒子-反粒子的成对形式出现。当这个事件发生在视界时，就与我近期的连续话题《黑暗，隐藏着怎样的秘密，让科学家如此痴迷？（上） 》产生了联系。

黑洞吸收恒星

其实大多数的黑洞都是带电荷且旋转的，这样两个虚粒子对就有可能会在电场的作用下分开，一个掉入黑洞，而另外一个则逃离到了无穷远。在距离黑洞远处的观察者看来，就像是黑洞无中生有地产生了一个粒子。

黑洞发出来的粒子基本上是光子、电子和反电子、中微子和反中微子，它们的能量不同。其中光子的能量分布与黑体辐射光的分布具有相同的形状。按照恒星温度的定义，我们就可以给黑洞赋予一个对应的温度值，这个值的大小与黑洞的质量成反比。

黑洞和引力波

计算表明，比较小的黑洞温度较高，比如只有几个太阳质量大小的黑洞的温度为十亿分之一开，而一个质量相当于一个长宽高都为100米的立方体铁块的小黑洞，其辐射温度可以达到1000亿开，太阳的核心温度却只有1500万开。

这样耀眼的小黑洞，其发射能量并不是凭空产生的，辐射产生的能量同样来源于爱因斯坦的质能方程E=mc^2，随着辐射的产生，黑洞的质量和体积都会缩小，这被天体物理学家们称作“黑洞蒸发”。

黑洞吞噬气体云

小黑洞蒸发是一个加速过程，因为质量减小温度增加，辐射能量进一步提高，这就加速黑洞质量减小，如果没有质量补充，黑洞就会完全“蒸发”不见。这就是为什么我们无法发现宇宙中那些原初小黑洞的原因，都蒸发掉不见了。

有了前面这些知识的铺垫，现在我们可以正式回到本文的话题了，如何把黑洞变成能源呢？物理学家们的设想是，造一个微型的黑洞，把它放到轨道上，通过定期补充物质来弥补质量损失来控制辐射强度。

计算机模拟的史瓦西黑洞

一个史瓦西黑洞的能量产生效率最高可以达到5.7%，而一个克尔黑洞（快速旋转的）则可以让能量产生效率提高到42%，远高于目前人造太阳（氦聚变）获得的0.7%的生产效率。而且这并非是黑洞释放能源的极限。

最近，哥伦比亚大学物理学家卢卡 · 科米索 (Luca Comisso)和智利阿道夫 · 伊班奈兹大学物理学家费莉佩 · 阿森霍 (Felipe Asenjo)在《物理评论 D》上发表的研究报告称，通过破坏和重联黑洞视界附近的磁场线，能从黑洞中提取能量。

释放能量的黑洞

该研究报告第一作者科米索说：“黑洞通常被具有磁场的等离子粒子‘汤’包围，理论表明，当磁场线以正确的方式断开和重新连接时，它们可以将等离子粒子加速到负能量，该能量足以从黑洞中提取出来。

科米索和阿森霍提出的理论前提是重新连接磁场会使等离子体粒子朝向两个不同方向加速，一些等离子流被推至黑洞自旋方向，而另一些等离子流被推到自旋方向，并能逃脱黑洞引力束缚，如果被黑洞吞噬的等离子体具有负能量，就会相应地释放能量。

释放能量的黑洞

在能层内部，磁重联是非常罕见的，会导致等离子粒子速度加速至光速等级，该研究报告合著作者阿森霍解释，捕获和逃逸的等离子体流之间的高相对速度，是从黑洞中提取大量能量的原因。

阿森霍说：“我们计算发现等离子被激发的过程可达到 150% 的效能，这远远超过地球上任何发电厂。事实上，超过 100% 效能是可以实现的，因为黑洞会流失能量，这些能量是免费提供给从黑洞中逃逸的等离子。”

恒星和物质落入黑洞

尽管人类今天对黑洞的了解仍然不多，更谈不上利用它的能量了，但是，我们要相信科学的力量，随着人类黑洞的深入了解，当人类完全掌握黑洞的本质，那么人类开发采集黑洞能量就不远了。所以说黑洞能够成为未来能源是未来可期的。

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