書接上文《黑洞，光線的死胡同，那堵墻是什么樣？ 》，本文要講述的話題是黑洞可以用來解決人類未來的能源危機，那些什么關于宇宙命運的大課題，咱們不去探討了，因為，老郭跟各位小伙伴一樣，更注重實用性。

要了解黑洞如何能變得比太陽還耀眼，變成一個能持續(xù)釋放能量的天體，就要先了解一下與黑洞有關的能量轉換問題。這個問題我只在前文中提到了一點點——霍金輻射，量子力學在經(jīng)歷了上世紀20年代的高速發(fā)展之后，已經(jīng)進入到了當代量子場論。

在量子場論中，波和粒子都消失了，它們被“場”所代替，這些物理概念可以描述所有可能的物質狀態(tài)，真空不再是一無所有的，而是能量非常小，但不為零的場狀態(tài)。同時，在微觀世界里不存在絕對的靜止，一個系統(tǒng)的能量在微觀世界中持續(xù)波動。

量子波動

在真空狀態(tài)下，這些波動表現(xiàn)為“虛粒子”瞬間在真空中出現(xiàn)和消失。在無限小的情況下，這種現(xiàn)象會違反質能守恒定律，前提是能量可以快速得到補償，不過我們無法直接觀察到這種轉瞬即逝的虛擬粒子與真實粒子之間的相互作用。

當能量守恒被瞬時打破，但電荷守恒卻始終保持著，即，虛粒子總是以粒子-反粒子的成對形式出現(xiàn)。當這個事件發(fā)生在視界時，就與我近期的連續(xù)話題《黑暗，隱藏著怎樣的秘密，讓科學家如此癡迷？（上） 》產(chǎn)生了聯(lián)系。

黑洞吸收恒星

其實大多數(shù)的黑洞都是帶電荷且旋轉的，這樣兩個虛粒子對就有可能會在電場的作用下分開，一個掉入黑洞，而另外一個則逃離到了無窮遠。在距離黑洞遠處的觀察者看來，就像是黑洞無中生有地產(chǎn)生了一個粒子。

黑洞發(fā)出來的粒子基本上是光子、電子和反電子、中微子和反中微子，它們的能量不同。其中光子的能量分布與黑體輻射光的分布具有相同的形狀。按照恒星溫度的定義，我們就可以給黑洞賦予一個對應的溫度值，這個值的大小與黑洞的質量成反比。

黑洞和引力波

計算表明，比較小的黑洞溫度較高，比如只有幾個太陽質量大小的黑洞的溫度為十億分之一開，而一個質量相當于一個長寬高都為100米的立方體鐵塊的小黑洞，其輻射溫度可以達到1000億開，太陽的核心溫度卻只有1500萬開。

這樣耀眼的小黑洞，其發(fā)射能量并不是憑空產(chǎn)生的，輻射產(chǎn)生的能量同樣來源于愛因斯坦的質能方程E=mc^2，隨著輻射的產(chǎn)生，黑洞的質量和體積都會縮小，這被天體物理學家們稱作“黑洞蒸發(fā)”。

黑洞吞噬氣體云

小黑洞蒸發(fā)是一個加速過程，因為質量減小溫度增加，輻射能量進一步提高，這就加速黑洞質量減小，如果沒有質量補充，黑洞就會完全“蒸發(fā)”不見。這就是為什么我們無法發(fā)現(xiàn)宇宙中那些原初小黑洞的原因，都蒸發(fā)掉不見了。

有了前面這些知識的鋪墊，現(xiàn)在我們可以正式回到本文的話題了，如何把黑洞變成能源呢？物理學家們的設想是，造一個微型的黑洞，把它放到軌道上，通過定期補充物質來彌補質量損失來控制輻射強度。

計算機模擬的史瓦西黑洞

一個史瓦西黑洞的能量產(chǎn)生效率最高可以達到5.7%，而一個克爾黑洞（快速旋轉的）則可以讓能量產(chǎn)生效率提高到42%，遠高于目前人造太陽（氦聚變）獲得的0.7%的生產(chǎn)效率。而且這并非是黑洞釋放能源的極限。

最近，哥倫比亞大學物理學家盧卡 · 科米索 (Luca Comisso）和智利阿道夫 · 伊班奈茲大學物理學家費莉佩 · 阿森霍 (Felipe Asenjo）在《物理評論 D》上發(fā)表的研究報告稱，通過破壞和重聯(lián)黑洞視界附近的磁場線，能從黑洞中提取能量。

釋放能量的黑洞

該研究報告第一作者科米索說：“黑洞通常被具有磁場的等離子粒子‘湯’包圍，理論表明，當磁場線以正確的方式斷開和重新連接時，它們可以將等離子粒子加速到負能量，該能量足以從黑洞中提取出來。

科米索和阿森霍提出的理論前提是重新連接磁場會使等離子體粒子朝向兩個不同方向加速，一些等離子流被推至黑洞自旋方向，而另一些等離子流被推到自旋方向，并能逃脫黑洞引力束縛，如果被黑洞吞噬的等離子體具有負能量，就會相應地釋放能量。

釋放能量的黑洞

在能層內部，磁重聯(lián)是非常罕見的，會導致等離子粒子速度加速至光速等級，該研究報告合著作者阿森霍解釋，捕獲和逃逸的等離子體流之間的高相對速度，是從黑洞中提取大量能量的原因。

阿森霍說：“我們計算發(fā)現(xiàn)等離子被激發(fā)的過程可達到 150% 的效能，這遠遠超過地球上任何發(fā)電廠。事實上，超過 100% 效能是可以實現(xiàn)的，因為黑洞會流失能量，這些能量是免費提供給從黑洞中逃逸的等離子。”

恒星和物質落入黑洞

盡管人類今天對黑洞的了解仍然不多，更談不上利用它的能量了，但是，我們要相信科學的力量，隨著人類黑洞的深入了解，當人類完全掌握黑洞的本質，那么人類開發(fā)采集黑洞能量就不遠了。所以說黑洞能夠成為未來能源是未來可期的。

我是@郭哥聊科學，持續(xù)為您輸出高質量的科普文章，期待您的關注、點贊、評論和轉發(fā)支持。