如何提取黑洞的能量?

2021-02-08 騰訊網

視界附近的等離子體即將被旋轉黑洞吞噬

愛因斯坦的廣義相對論曾預言，旋轉黑洞可能是一個巨大的能量源。在過去的50年裡，科學家們一直試圖找到釋放這種能量的方法。物理學家Roger Penrose曾指出，粒子衰變可以從黑洞中吸收能量；物理學家Stephen Hawking則認為，黑洞能夠通過量子力學方式釋放能量；其他學者還提出，電磁扭矩是提取能量的主要方式。

phys.org網站報導，美國哥倫比亞大學物理學家Luca Comisso和智利阿道夫 伊班奈茲大學研究人員Felipe Asenjo提出了一種提取黑洞能量的新方式——在黑洞視界附近斷開、重連磁場線。相關研究成果於當地時間1月13日刊登在《物理評論D輯》雜誌中。

Comisso說：「黑洞通常被帶磁場的等離子粒子『湯』所包圍。我們的理論表明，以恰當方式斷開和重連磁力線，可以將等離子粒子加速至負能量，從而提取大量的黑洞能量。該發現有望讓天文學家更好地預測黑洞自旋，驅動黑洞能量發射，甚至為先進文明提供能源。從本質上講，黑洞是通過『吃下』負能量粒子來釋放能量的。這聽上去很荒謬，就像一個人食用含負熱量的糖果來減肥。這種現象可能發生在能層區域。在能層中，時空連續體的旋轉速度非常快，以至於每個物體的自旋方向都與黑洞相同。」

在能層內部，磁重聯非常極端，等離子體粒子的速度被加速至接近光速。物理學教授Asenjo解釋道，捕獲-逃逸等離子體流之間的高相對速度，正是上述新方式能從黑洞中提取能量的原因。

Asenjo說：「我們計算出，等離子體給電過程的效率高達150%，這比地球上任何發電廠都高。要使效率超過100%也是可能的，因為黑洞會洩露能量，而這些能量將『免費』供給從黑洞逸出的等離子體。」

Comisso等設想的能量提取過程可能已經是黑洞中的普遍事件。此外，該過程還可能是驅動黑洞耀斑的誘因。

Asenjo說：「我們對黑洞附近磁重聯現象的認知加深了。這可能為人類未來的黑洞觀測任務奠定基礎。」

從黑洞中提取能量，這聽上去有點像科幻小說中的情節，但黑洞很可能是人類未來解決能源問題的答案。

Comisso說：「在未來，人類或許能夠依附黑洞生存。這本質上是一個技術問題，從物理學角度來看，人類是能夠解決的。」

美國國家科學基金會項目主任Vyacheslav Lukin展望道：「我們期待將黑洞天體物理學看似深奧的研究轉入實用領域。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責編：陳之涵

期刊來源：《物理評論D輯》

期刊編號：1550-7998

原文連結：

https://phys.org/news/2021-01-harness-energy-black-holes.html

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  • 我們能利用黑洞的能量嗎?或可解決能源問題
    科學家羅傑·布蘭德福德(Roger Blandford)和羅曼·茲那傑克(Roman Znajek)認為，電磁扭矩是提取黑洞能量的主要方式。，能從黑洞中提取能量，在這個位置，包括光在內的任何事物，都無法逃脫黑洞引力束縛。
  • 要從黑洞內部獲取無限能量
    簡單來說，就是彭羅斯通過演算推導，認為如果未來人類可以研發出一個可以投進黑洞裡的，不會被摧毀的能量提取器，那麼，就可以在黑洞的能量層裡獲取無限能量。研究認為，宇宙中那些旋轉的黑洞未來或許都會是人類主要的能量來源。這類旋轉黑洞的中心是一個奇環，裡面分有內、外兩個視界，在這兩個視界之間，存在著一個夾層，這個夾層就是所謂的能量層，又被稱作「能層」。
  • 要從黑洞內部獲取無限能量
    簡單來說，就是彭羅斯通過演算推導，認為如果未來人類可以研發出一個可以投進黑洞裡的，不會被摧毀的能量提取器，那麼，就可以在黑洞的能量層裡獲取無限能量。看起來似乎科學家們已經胸有成竹了，但事實上，從黑洞中提取能量這件事，未來也仍然很難實現，畢竟想要實現，存在著很多困難。
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    但它最明顯的後果之一，就是即使是少量的質量也能產生巨大的能量。在MinutePhysics 給出的這段視頻中，舉出的例子是，如果一隻貓的能量能夠被完全提取出來，那將可為挪威整個國家提供一年的電力。不幸的是，事情並沒有那麼簡單。實際上，要從物質中提取能量是非常困難的。
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