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和黑洞进行“交易”

当我们凝望夜空,那些闪烁着光芒的星星总是能引起我们对宇宙的无限幻想,它们总是这么令人着迷。

但在宇宙中,有一种比这些天体更加令人心驰神往的神秘存在——黑洞,它们有着无以伦比的魅力。它们的引力远远大于其他天体,可以吸收所有辐射,甚至连速度为每秒30万千米的光都无法挣脱开。它们就像宇宙中最凶猛的“多足怪兽”,擅长捕捉宇宙中的其他天体,并将它们吞噬。

这么说来,凡是进入黑洞的物质都会被吞噬然后消失殆尽?其实不然。在爱因斯坦相对论中,最简单的黑洞即纯引力的、静态而永恒的黑洞确实如此。可是在宇宙中,存在着许多高速旋转的黑洞,旋转的这一特性有可能让进入黑洞的物质有机会挣脱黑洞“魔爪”,甚至还能“偷取”黑洞的能量。

黑洞旋转起源

黑洞旋转的起源可以追溯到时间的开端——宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸发生后,最原始的宇宙起点以惊人的速度发生膨胀,大爆炸后产生的物质分散了这个原始起点,膨胀会导致空间一直在扩张,空间密度也持续发生改变。每个区域膨胀的速度是不一样的,有的区域扩张很快,区域密度较低;有的区域膨胀速度慢,物质的密度很高。这些密度较大的区域内的物质在自身引力的作用下开始聚集,形成了物质团块。

这个物质团块不是静止的,它有自旋现象和自己的角动量。这个团块分裂成许多小团块,形成更小的星系群、单个星系,最终形成恒星和行星。根据角动量守恒定律,角动量在没有外力的作用下是不变和守恒的,因此当某个转动物体在自身作用下分割成几个小物体时,它的角动量也会被分割成几个部分,所以每个小团块都有物质团块分配给它的角动量,小团块角动量的总和依然等于物质团块的角动量,它们都会有自旋现象。这一过程很像湍流水发生分离,分离会产生单个小漩涡,每个旋涡也都有自己的角动量。

在这些分裂出的小团块中,有一部分小团块最终会形成恒星。我们知道,恒星被认为是黑洞的前身,因为恒星的终结意味着黑洞的开端,那恒星是怎么转变成黑洞的呢?

原来在恒星的生命进程中,它会一直燃烧自身的燃料,当燃烧完最后一点燃料之后,在自身重力的作用下恒星开始自行坍缩,直到坍缩成一个非常小的物体,当这个物体足够小,就可能形成黑洞。这就像一个极其巨大的物体缩小到一个很小的“点”,可想而知,这个点的密度得有多大。当然,如果恒星想要变成黑洞,它还需要有超级大的质量。当恒星生命结束,在不同的质量下它会形成不同的天体。据推测,当恒星质量在8倍太阳质量以下时,恒星结束后会形成白矮星;当恒星质量在8到20倍太阳质量之间时,恒星会形成中子星;当恒星质量达到20倍太阳质量以上时,才有可能形成恒星黑洞。

前文有提到,恒星是旋转的,它遵循角动量守恒定律,因此为了维持角动量守恒,坍缩后的恒星会转的更快。这就像在观看花样溜冰比赛时,你会发现选手们为了转得更快,他们会收起展开的双臂,可能还会蹲下身,才能完成高速旋转的高难度动作。因此,当恒星开始坍缩时,它的角动量会让它转得越来越快,直到完全变形为黑洞为止。因此,黑洞不仅会旋转,它的旋转速度还意想不到地快,甚至有些黑洞每秒能转上几百万圈!

逃出黑洞能层,完成能量交易

跟静止的黑洞一样,旋转的黑洞也有奇点。“点怎么会旋转呢?”确实,奇点在严格意义上不是一个点,而是一个没有厚度的环,它收集了黑洞的所有质量,转速极快,黑洞可以说是绕着这个 “点”在运动。因为它速度很快,所以黑洞的旋转速度也很快,甚至快到它可以形变时间和空间,黑洞附近的空间会发生扭曲,形成了一个极为特殊的区域:能层,这是一个转速极大的诡异区域。

旋转的黑洞也有事件视界。在事件视界内部,时间和空间全部都会崩坏,所有物质无法逃逸。而能层位于事件视界的外围,那里的时空处于半崩坏状态,在这里,我们无法确定物质会出现什么行为,可能无法逃逸,但也有可能进去之后再出来。

物质投进旋转的能层中,就像以螺旋的方式进入死亡旋涡。黑洞会给投入能层的物体提供一个旋转动能,因此进入能层的物体会发生旋转。如果你想静止在能层中,你不仅需要和能层旋转方向相反,速度还要比光快,这样才可能静止在能层中,但这几乎是不可能的,毕竟连光都不一定能挣脱开它。所以当物质投入能层,物质一定会跟着能层旋转。

物质的绝对旋转性让科学家们灵光一现:“物质从静止到旋转不就说明黑洞把动能传递给物质了吗?”那么最简单的“偷取”黑洞能量的方式莫过于往能层中投掷物质了。当物质投入能层后,黑洞会将自己的一部分动能传递给这个物质,然后物质在能层中围绕黑洞旋转。当物质获取的黑洞的动能足够大,大到可以逃离能层时,黑洞的动能就会被物质带走。

以进入能层的火箭为例。当火箭进入能层,黑洞会将自己的一小部分动能传递给火箭,此时火箭在黑洞的推动下转速变大。当转速大到一定程度时,火箭上已经存储了黑洞的一部分能量,此时若能使火箭偏离黑洞,逃出能层,返回地球,我们就能得到黑洞的能量了。若是把火箭一些质量较大的部件丢在黑洞里,火箭返回地球损失的能量也会减少。这样,火箭和黑洞也算是完成了能量与质量的“交易”。

镜子做的“大炸弹”

物质进出能层后存储的能量会变多,那如果它一直反复进出会出现什么样的情况呢?这个物质能量会变得越来越大,科学家为此产生一个疯狂的想法:如果把黑洞封闭起来,它将是一个存储爆炸性能量的“炸弹”。

这个疯狂的想法比戴森球的设想疯狂N倍,但原理与戴森球类似。戴森球是可以收集恒星能量的假想结构,由卫星组成,它是一个球形壳状结构。黑洞大炸弹则由镜子拼接而成,这些镜子通过航空器运到太空中,并摆放在黑洞能层外。它们带有许多棱角,可以通过拼接很紧密地贴合在一起,没有缝隙,还和戴森球一样,可以完全包裹天体。但戴森球是包裹恒星,黑洞大炸弹则是包裹黑洞。

你可能会有疑问:“镜子怎么能做成炸弹呢?”可是在科学家眼中,镜子确实可以,但是当然不会是我们熟知的普通镜子。这种镜子不能因进入宇宙后环境压力的变化而破裂,也不能在包围黑洞时,被黑洞强大的吸引力控制,否则将无法固定在黑洞周围。如果一块镜子因承受不住宇宙环境而破裂,或是直接被黑洞吸入无底深渊,那我们的“镜子大炸弹”是永远不可能构建成功的。

在摆放了很多的特殊镜子并将它们完全贴合之后,就形成了镜子壳状体,黑洞在这个壳状体里依然高速旋转着。此时打开其中一个镜子,往黑洞里发射电磁波。电磁波会分成两个部分,一部分波进入黑洞的事件视界,被黑洞完全吞噬,消失在黑洞中;但另一部分波会进入能层,进入能层的电磁波在黑洞动能的作用下,辐射能量变大。当辐射达到临界值,电磁波就可以从能层中逃逸出来。因为黑洞被包围,逃逸出来的电磁波又会遇到镜子,因此又继续反射回能层,黑洞又会将部分动能传递给射到能层里的电磁波。电磁波在黑洞和镜子之间来回反射,每反射一次能量就加强一次,最终会产生超辐射现象。

如果此时在壳状体上开一个小缝,就会有大量辐射从缝中喷涌而出,我们就可以得到黑洞的能量,这些能量也许可以供我们使用数万亿年,人类文明也能得以维系。但再坚固的镜子壳状体也有无法承受的那一天,当辐射过于强烈,镜子会发生散架,此时镜子里无穷大的能量将如海啸般席卷黑洞周围的所有物质,释放出的能量可能等同于一个超新星爆发,将造成前所未有的大爆炸事件。

黑洞着实是个神秘的存在,我们从来没有真正地看见过它,也不敢去真正地靠近它,因为我们担心会被它强大的引力撕扯成碎片,瞬间灰飞烟灭。但我们却有机会跟它“远程交易”,仿佛它只是一个普通的商人。

小贴士:什么是角动量守恒?

角动量是描述物体转动状态的量,它是物体质量、速度和运动轨道半径的乘积。在没有外力作用下,物体的角动量是不变的、守恒的,它不会无缘无故消失。比如对于自旋的物体来说,即便物体分割成几个小物体,它们的角动量总和依然等于原来物体的角动量;而对于围绕某个点转动的物体来说,当物体的轨道半径变小,质量不变,速度就会增大。

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