我们能利用黑洞的能量吗？-

爱因斯坦的广义相对论（就是那个统一了空间、时间与引力的理论）预言：旋转的黑洞拥有庞大的能量可供利用。

在过去的50年里，科学家们一直试图找到释放这种能量的方法。诺贝尔奖得主、物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就提出过粒子崩解（particle disintegration）这一从黑洞中汲取能量的理论；斯蒂芬·霍金也曾提出，黑洞可以通过量子力学机制释放能量；罗杰·布兰德福德（Roger Blandford）和罗曼·兹纳杰克（Roman Znajek）指出，电磁转矩（electromagnetic torque）或能成为能量提取的主要来源。

接近视界的等离子体即将被旋转的黑洞吞噬。图源：Classical And Quantum Gravity，2015

在发表于《物理评论D》杂志上的一项研究中，哥伦比亚大学的物理学家Luca Comisso和伊巴内兹大学的Felipe Asenjo发现了一种从黑洞中提取能量的新方法，这种方法需要打破并重新连接视界（event horizon，一个连光都逃脱不了黑洞引力的临界点）附近的磁力线。

“黑洞周围通常盛满了带有磁场的等离子体粒子（plasma particles）‘热汤’。”哥伦比亚大学科学家、本项研究的第一作者Luca Comisso说。

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“我们的理论表明，当磁力线以某种方式断开和重新连接时，它们可以加速等离子体粒子，使其产生负能量，从而提供大量黑洞能量。”

Comisso提到，这一发现可以让天文学家更好地估量黑洞的自旋，驱动黑洞的能量释放，甚至可能为先进文明提供一种新的能量来源。

Comisso和Asenjo的理论有一个前提，那就是重新连接磁场会导致等离子体粒子朝不同方向加速。一股等离子体流（plasma flow）逆着黑洞自旋方向前进，另一股则顺着黑洞自旋方向加速，并最终脱离黑洞的魔爪，当有负能量的等离子体被黑洞吞噬时，能量会从黑洞中释放出来。

“这就像一个人可以通过吃含有负热量的糖果来减肥，” Comisso解释说，“黑洞吃负能量粒子会导致能量损失的说法听起来很奇怪，但它的确可能发生在一个称为能层（ergosphere）的区域，在那里时空连续体（spacetime continuum）旋转得如此之快，以至于每个物体的旋转方向都与黑洞相同。”

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在能层内部，磁场重联（magnetic reconnection）是如此的极端以至于等离子体粒子被加速到接近光速。

Asenjo是阿道夫伊巴涅斯大学的物理学教授，也是这项研究的合著者，他解释说，被捕获的和在逃逸的等离子体流之间的相对速度差得很多，使得过程中能从黑洞提取大量能量。

“我们计算出，等离子体充能的能效可以达到150%，远高于地球上任何运行的发电厂。” Asenjo提到，“达到100%以上的效率是可能的，因为黑洞会泄漏能量，这些能量会免费赠送给从黑洞逃逸出来的等离子体。”

Comisso和Asenjo设想的过程可能已经在大量黑洞中上演。这可能是驱动黑洞耀斑（black hole flares）爆发的原因——从地球上可以探测到这些强大的辐射爆发。

“要是我们对黑洞附近如何发生磁场重联能有更多了解，将对指导未来望远镜对黑洞的观测起到重要作用，例如使用事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）进行观测。” Asenjo说。

虽然这听起来像科幻小说中的桥段，但从黑洞中开采能源可能是解决我们未来能源需求的答案。

Comisso说：“几千年或几百万年后，人类也许能够在黑洞周围生存，而不需要利用恒星的能量。这本质上是一个技术问题。如果我们了解物理，就没有什么能阻止我们。”

这项名为“磁场重联作为从旋转黑洞中提取能量的机制”的研究由国家科学基金会（NSF）宇宙之窗计划、美国宇航局和智利国家科技发展基金资助。

美国国家科学基金会的项目主管Vyacheslav（Slava） Lukin说，美国国家科学基金会的目标是促进基于前沿观测的新理论努力，将理论物理学和观测天文学创新性地结合在一起。

Lukin说：“我们期待着将看似深奥的黑洞天体物理学转化到可操作领域。”

作者：Carla Cantor，哥伦比亚大学

翻译：焦傲

审校：张和持

引进来源：物理学家组织网

本文来自：中国数字科技馆