科學家:若讓黑洞停止旋轉或將其引爆,一切秘密將大白天下

2020-08-23 科普夢工廠


如果我說有朝一日人類能夠引爆黑洞,你是不是認為小編瘋了呢?

黑洞與恆星一樣是宇宙中的普遍存在,它甚至可以說就是恆星死亡後變成的幽靈。恆星和人同理,活著的時候總是給人以親切和溫暖,死了之後立即變得神秘而恐怖,都成了鬼魅的存在。

黑洞為何如此鬼魅?

黑洞的鬼魅之處在於難以到達和不可靠近。難以到達是因為目前人類發現的距離地球最近的黑洞也有1000光年,我們現在的科學技術是難以在有生之年近距離接觸黑洞的,只能藉助天文望遠鏡通過觀察黑洞造成的空間扭曲來感受黑洞。不可靠近是因為即便有朝一日人類的飛行器可以飛到黑洞的「事界」(黑洞周圍物質有去無回的邊界),便再也不可能回到地球了,而在地球上翹首以望的人也不可能觀測到這艘飛船到底去了哪裡,飛船裡的人到底是生是死,還是穿越到了下一個宇宙?

黑洞為什麼會如此神秘?一切歸因於黑洞擁有非凡強大的引力!黑洞在運行的過程中貪婪地吸收其周圍的物質,吸收地越多,其質量就越大,那麼它擁有的引力就越大,如此這般無節制地循環下去,這就是《天龍八部》中星宿老怪的化功大法,現在你知道丁春秋為什麼叫星宿老怪了吧?

黑洞會死嗎?答案是肯定的,只不過我們不知道黑洞死了之後會變成什麼,有的科學家預言說黑洞死了會變成白洞。黑洞和白洞都是大質量不可見的天體,不同的是黑洞只「吸」不「吐」,而白洞只「吐」不「吸」。這有點奇怪,因為黑洞靠強大的引力把物質吸入完全符合自然法則和物理定律,而白洞同樣擁有強大的引力為什麼不但不「吸」還要往外「吐」呢?這似乎有點難以置信。

當然,黑洞是客觀存在,而白洞目前還僅是一種理論模型,尚未被觀測所證實,因此我們不得而知它的運行原理。但僅憑這一點,說黑洞的來生是白洞,似乎是有些道理的,因為「吃」多了總是要「吐」的,功力吸收多了也是要被其反噬的,出來混久了總是要還的,這或許也是一種最普遍的宇宙法則。

什麼是彭羅斯過程?

傳統黑洞理論認為,物質一旦進入了黑洞便是肉包子打狗,有去無回。但是,最新的黑洞研究表明:在一個高速旋轉的黑洞的邊界外圍,存在一個特殊的區域,或者可以稱之為一個臨界區域——「能層」(Ergosphere)。

一團物質進入黑洞的「能層」後,不是全部被黑洞吸收,而是先在「能層」被引力撕裂,其中一部分隨著高速旋轉的時空進入「事界」鑽入黑洞,而另一部分根據角動能守恆定律則會被甩出黑洞直至無窮遠。相比原來進入「能層」的質量,逃逸的物質碎片可能攜帶了更多的質能,而進入黑洞的碎片攜帶的是負質能。即E(A)=E(B)+E(C),並且E(C)<0而E(B)>E(A)。這個過程以數學物理學家羅傑·彭羅斯命名,被稱為「彭羅斯過程」。

「彭羅斯過程」有何價值?

它的意義就在於我們可以充分利用這一過程從黑洞中抽取能量,這有點兒像從老虎口中拔牙的味道,但顯然比虎口拔牙困難的多。我們可以腦洞一下,假如我們連續不斷地往高速旋轉的黑洞裡投放物質,反覆執行「彭羅斯過程」其結果會怎樣?結果就是黑洞的角動量不斷地減少再減少,黑洞的能量不斷地被甩出的物質抽出來,其轉速會越來越低,最終這個黑洞將完全喪失角動量,成為一顆靜止不動的黑洞。

但是,從黑洞「能層」中被甩出的物質所攜帶的動能是很難被接收轉化利用的。我們再往深處腦洞一下,如果我們向黑洞中發射的不是一般物質而是光,結果又會怎樣?按照「彭羅斯過程」,被「能層」甩出來的也將是攜帶更高能量的光,而光能是很容易被人類接收和轉化的。更加奇妙的是,假如這時候我們用一個超大反射鏡殼將黑洞完全包圍起來,被「能層」反射的光經過鏡面反射又回到黑洞中,接下來發生的事情是反射光所攜帶的能量一次次被放大,無限制地循環下去。當能量達到一個臨界點時,黑洞就變成了一顆超級炸彈,瞬間爆發出宇宙中毀滅級的能量。

如何驗證這一理論?

最近有科學家在實驗室中驗證了「彭羅斯過程」,儘管這一驗證過程存在爭議,但還是有一定借鑑意義的。科學家用聲波代替光波,因為聲波的傳播速度比光波慢了將近100萬倍,這樣就可以選擇一個相對低速的旋轉體來模擬黑洞,於是科學家選擇了一個高速旋轉的馬達。為了模擬黑洞的「能層」,科學家又在馬達的外面包裹了一層吸音泡沫。為了製造一種扭曲的聲波,科學家使用了一圈喇叭,它們都發射相同頻率的聲波,但開始的時間略有不同,所以聲音呈螺旋狀。

實驗開始後,馬達高速旋轉使泡沫與馬達相互作用,這時放置在泡沫內部的麥克風就可以錄下喇叭發出的聲音。當馬達轉速相對較低時,科學家發現麥克錄下的聲音較小,因為它被泡沫吸收了。而當馬達的轉速提高到足夠大時,麥克記錄下的聲音就會變得比喇叭發出的聲音還要大。這說明了聲波從旋轉吸收體中吸收了能量,使反射的聲音能量實現了增益。這個理論雖然基本上證實了「彭羅斯過程」的真實性,但是問題就在於科學家的模擬裝置和實驗室環境是不是符合黑洞這樣超大質量天體的運行規律,畢竟我們對黑洞的認識還太少。


結語:

雖然這仍然像在演繹科幻小說,但在遙遠的未來,當宇宙幾近死亡,星系和恆星僅存黑洞和漫無邊際的粒子的時候,如果人類還僥倖存在,那麼從黑洞中攝取能量或許是人類文明得以延續下去的唯一希望。到那時候,黑洞將不再是一個巨大、孤立的躲在宇宙黑暗深處的幽靈,而將是一個給人類帶來光明和希望如同太陽般溫暖的星球。感謝閱讀!

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