人類如果能夠「利用」黑洞,能不能利用黑洞來進行星際旅行?

2020-12-23 王點夏

想像在遙遠的未來,人類住在了地球以外的地方,在數千光年以外的星球上建造城市,並在銀河中建造多如牛毛的貿易與交通網路。我們的文明需要什麼才能達成這樣的大躍進?

想要達到這樣的盛況,我們第一個要考慮的就是:我們要從哪裡找到足夠的能源?不斷演化的文明對能源的需求會不斷增加,天文學家尼古拉· 卡爾達肖夫提出了一種尺度來將之量化。在演化的第一階段, 也是我們現在所處的階段,地球上的燃料主要為化石燃料、太陽能,以及核能,但是這僅僅夠我們再太陽系中居住使用。

而對於第三階段,也就是最終階段的文明而言,銀河規模的擴張所需的能量大約是我們的太陽每秒釋放的385 佑(10)焦耳再乘以一千億倍。除了奇異物理的突破之外,就只有一個能源來源可以滿足這個條件:超大質量黑洞。

將黑洞視為能源違反直覺,但實情就是如此, 因為它們具有吸積盤:由落入事件視界的物質所形成的圓形扁平結構。因為角動量守恆定律,周圍的粒子不會直直落入黑洞當中。反之,它們會緩慢地以螺旋軌道移動。因為黑洞的引力場很強,當這些粒子越緩緩接近事件視界時,它們的位能會轉換為動能。粒子交互作用會讓這種動能裂變只能將 0.08% 的鈾原子轉化為能量。且物質轉為能量的效率高得驚人:非旋轉黑洞是6%,旋轉黑洞高達32%。這遠超過目前最有效率且廣為使用的能量粹取機制:核融合,核融合只能將鈾原子的0.08%轉換為能量。

但是想要利用這種力量,關鍵在於戴森球,物理學家弗裡曼· 戴森發明出來的一種結構。在60年代,戴森提出一個理論, 他認為先進的行星文明能夠在主星球的周圍建造出一個人工球體,捕捉所有從星球放射出去的能量,來滿足他們的需求。理論上,可以把類似但複雜許多的設計應用在黑洞上。為了產生能量,必須持續「餵食」黑洞,所以不能用球體把它整個包住。就算我們真的做了,許多超大質量黑洞從兩極所放射出的電漿噴流也會把任何擋在路上的結構給粉碎。

所以,我們可能要改成設計一種戴森環,由遠端控制的大型收集器所組成。它們會成群移動,繞著黑洞形成一個環,也許這個環會和吸積盤在同一個平面上,但更外圍。這些裝置可以用類似鏡子的面板將收集到的能量傳輸給電廠,或放入電池中儲存。我們必須要確保這些收集器被建造在正確的半徑上,太靠近黑洞,它們會被放射出來的能量給熔化。太遠就只能收集到可得能量中的一小部分,且可能會被繞行黑洞的星體給打斷。

我們可能會需要如赤鐵礦這類高度反射性的材料,且需要等同好幾個地球的量,才能建造完整的系統——另外再多拆解幾個行星來製造一支建設機器人軍團。一旦建造出來,戴森環會是一項技術傑作,供給能源給散布在銀河系各處的文明。這一切可能像是狂野的推測,因為,現在的我們正處於能源危機中。

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