穆婕

當(dāng)我們凝望夜空，那些閃爍著光芒的星星總是能引起我們對宇宙的無限幻想，它們總是這么令人著迷。

但在宇宙中，有一種比這些天體更加令人心馳神往的神秘存在——黑洞，它們有著無以倫比的魅力。它們的引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他天體，可以吸收所有輻射，甚至連速度為每秒30萬千米的光都無法掙脫開。它們就像宇宙中最兇猛的“多足怪獸”，擅長捕捉宇宙中的其他天體，并將它們吞噬。

這么說來，凡是進(jìn)入黑洞的物質(zhì)都會被吞噬然后消失殆盡？其實(shí)不然。在愛因斯坦相對論中，最簡單的黑洞即純引力的、靜態(tài)而永恒的黑洞確實(shí)如此。可是在宇宙中，存在著許多高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，旋轉(zhuǎn)的這一特性有可能讓進(jìn)入黑洞的物質(zhì)有機(jī)會掙脫黑洞“魔爪”，甚至還能“偷取”黑洞的能量。

黑洞旋轉(zhuǎn)起源

黑洞旋轉(zhuǎn)的起源可以追溯到時間的開端——宇宙大爆炸。

宇宙大爆炸發(fā)生后，最原始的宇宙起點(diǎn)以驚人的速度發(fā)生膨脹，大爆炸后產(chǎn)生的物質(zhì)分散了這個原始起點(diǎn)，膨脹會導(dǎo)致空間一直在擴(kuò)張，空間密度也持續(xù)發(fā)生改變。每個區(qū)域膨脹的速度是不一樣的，有的區(qū)域擴(kuò)張很快，區(qū)域密度較低;有的區(qū)域膨脹速度慢，物質(zhì)的密度很高。這些密度較大的區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)在自身引力的作用下開始聚集，形成了物質(zhì)團(tuán)塊。

這個物質(zhì)團(tuán)塊不是靜止的，它有自旋現(xiàn)象和自己的角動量。這個團(tuán)塊分裂成許多小團(tuán)塊，形成更小的星系群、單個星系，最終形成恒星和行星。根據(jù)角動量守恒定律，角動量在沒有外力的作用下是不變和守恒的，因此當(dāng)某個轉(zhuǎn)動物體在自身作用下分割成幾個小物體時，它的角動量也會被分割成幾個部分，所以每個小團(tuán)塊都有物質(zhì)團(tuán)塊分配給它的角動量，小團(tuán)塊角動量的總和依然等于物質(zhì)團(tuán)塊的角動量，它們都會有自旋現(xiàn)象。這一過程很像湍流水發(fā)生分離，分離會產(chǎn)生單個小漩渦，每個旋渦也都有自己的角動量。

在這些分裂出的小團(tuán)塊中，有一部分小團(tuán)塊最終會形成恒星。我們知道，恒星被認(rèn)為是黑洞的前身，因?yàn)楹阈堑慕K結(jié)意味著黑洞的開端，那恒星是怎么轉(zhuǎn)變成黑洞的呢？

原來在恒星的生命進(jìn)程中，它會一直燃燒自身的燃料，當(dāng)燃燒完最后一點(diǎn)燃料之后，在自身重力的作用下恒星開始自行坍縮，直到坍縮成一個非常小的物體，當(dāng)這個物體足夠小，就可能形成黑洞。這就像一個極其巨大的物體縮小到一個很小的“點(diǎn)”，可想而知，這個點(diǎn)的密度得有多大。當(dāng)然，如果恒星想要變成黑洞，它還需要有超級大的質(zhì)量。當(dāng)恒星生命結(jié)束，在不同的質(zhì)量下它會形成不同的天體。據(jù)推測，當(dāng)恒星質(zhì)量在8倍太陽質(zhì)量以下時，恒星結(jié)束后會形成白矮星;當(dāng)恒星質(zhì)量在8到20倍太陽質(zhì)量之間時，恒星會形成中子星;當(dāng)恒星質(zhì)量達(dá)到20倍太陽質(zhì)量以上時，才有可能形成恒星黑洞。

前文有提到，恒星是旋轉(zhuǎn)的，它遵循角動量守恒定律，因此為了維持角動量守恒，坍縮后的恒星會轉(zhuǎn)的更快。這就像在觀看花樣溜冰比賽時，你會發(fā)現(xiàn)選手們?yōu)榱宿D(zhuǎn)得更快，他們會收起展開的雙臂，可能還會蹲下身，才能完成高速旋轉(zhuǎn)的高難度動作。因此，當(dāng)恒星開始坍縮時，它的角動量會讓它轉(zhuǎn)得越來越快，直到完全變形為黑洞為止。因此，黑洞不僅會旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)速度還意想不到地快，甚至有些黑洞每秒能轉(zhuǎn)上幾百萬圈！

逃出黑洞能層，完成能量交易

跟靜止的黑洞一樣，旋轉(zhuǎn)的黑洞也有奇點(diǎn)。“點(diǎn)怎么會旋轉(zhuǎn)呢？”確實(shí)，奇點(diǎn)在嚴(yán)格意義上不是一個點(diǎn)，而是一個沒有厚度的環(huán)，它收集了黑洞的所有質(zhì)量，轉(zhuǎn)速極快，黑洞可以說是繞著這個 “點(diǎn)”在運(yùn)動。因?yàn)樗俣群芸?，所以黑洞的旋轉(zhuǎn)速度也很快，甚至快到它可以形變時間和空間，黑洞附近的空間會發(fā)生扭曲，形成了一個極為特殊的區(qū)域：能層，這是一個轉(zhuǎn)速極大的詭異區(qū)域。

旋轉(zhuǎn)的黑洞也有事件視界。在事件視界內(nèi)部，時間和空間全部都會崩壞，所有物質(zhì)無法逃逸。而能層位于事件視界的外圍，那里的時空處于半崩壞狀態(tài)，在這里，我們無法確定物質(zhì)會出現(xiàn)什么行為，可能無法逃逸，但也有可能進(jìn)去之后再出來。

物質(zhì)投進(jìn)旋轉(zhuǎn)的能層中，就像以螺旋的方式進(jìn)入死亡旋渦。黑洞會給投入能層的物體提供一個旋轉(zhuǎn)動能，因此進(jìn)入能層的物體會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果你想靜止在能層中，你不僅需要和能層旋轉(zhuǎn)方向相反，速度還要比光快，這樣才可能靜止在能層中，但這幾乎是不可能的，畢竟連光都不一定能掙脫開它。所以當(dāng)物質(zhì)投入能層，物質(zhì)一定會跟著能層旋轉(zhuǎn)。

物質(zhì)的絕對旋轉(zhuǎn)性讓科學(xué)家們靈光一現(xiàn)：“物質(zhì)從靜止到旋轉(zhuǎn)不就說明黑洞把動能傳遞給物質(zhì)了嗎？”那么最簡單的“偷取”黑洞能量的方式莫過于往能層中投擲物質(zhì)了。當(dāng)物質(zhì)投入能層后，黑洞會將自己的一部分動能傳遞給這個物質(zhì)，然后物質(zhì)在能層中圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。當(dāng)物質(zhì)獲取的黑洞的動能足夠大，大到可以逃離能層時，黑洞的動能就會被物質(zhì)帶走。

以進(jìn)入能層的火箭為例。當(dāng)火箭進(jìn)入能層，黑洞會將自己的一小部分動能傳遞給火箭，此時火箭在黑洞的推動下轉(zhuǎn)速變大。當(dāng)轉(zhuǎn)速大到一定程度時，火箭上已經(jīng)存儲了黑洞的一部分能量，此時若能使火箭偏離黑洞，逃出能層，返回地球，我們就能得到黑洞的能量了。若是把火箭一些質(zhì)量較大的部件丟在黑洞里，火箭返回地球損失的能量也會減少。這樣，火箭和黑洞也算是完成了能量與質(zhì)量的“交易”。

鏡子做的“大炸彈”

物質(zhì)進(jìn)出能層后存儲的能量會變多，那如果它一直反復(fù)進(jìn)出會出現(xiàn)什么樣的情況呢？這個物質(zhì)能量會變得越來越大，科學(xué)家為此產(chǎn)生一個瘋狂的想法：如果把黑洞封閉起來，它將是一個存儲爆炸性能量的“炸彈”。

這個瘋狂的想法比戴森球的設(shè)想瘋狂N倍，但原理與戴森球類似。戴森球是可以收集恒星能量的假想結(jié)構(gòu)，由衛(wèi)星組成，它是一個球形殼狀結(jié)構(gòu)。黑洞大炸彈則由鏡子拼接而成，這些鏡子通過航空器運(yùn)到太空中，并擺放在黑洞能層外。它們帶有許多棱角，可以通過拼接很緊密地貼合在一起，沒有縫隙，還和戴森球一樣，可以完全包裹天體。但戴森球是包裹恒星，黑洞大炸彈則是包裹黑洞。

你可能會有疑問：“鏡子怎么能做成炸彈呢？”可是在科學(xué)家眼中，鏡子確實(shí)可以，但是當(dāng)然不會是我們熟知的普通鏡子。這種鏡子不能因進(jìn)入宇宙后環(huán)境壓力的變化而破裂，也不能在包圍黑洞時，被黑洞強(qiáng)大的吸引力控制，否則將無法固定在黑洞周圍。如果一塊鏡子因承受不住宇宙環(huán)境而破裂，或是直接被黑洞吸入無底深淵，那我們的“鏡子大炸彈”是永遠(yuǎn)不可能構(gòu)建成功的。

在擺放了很多的特殊鏡子并將它們完全貼合之后，就形成了鏡子殼狀體，黑洞在這個殼狀體里依然高速旋轉(zhuǎn)著。此時打開其中一個鏡子，往黑洞里發(fā)射電磁波。電磁波會分成兩個部分，一部分波進(jìn)入黑洞的事件視界，被黑洞完全吞噬，消失在黑洞中;但另一部分波會進(jìn)入能層，進(jìn)入能層的電磁波在黑洞動能的作用下，輻射能量變大。當(dāng)輻射達(dá)到臨界值，電磁波就可以從能層中逃逸出來。因?yàn)楹诙幢话鼑?，逃逸出來的電磁波又會遇到鏡子，因此又繼續(xù)反射回能層，黑洞又會將部分動能傳遞給射到能層里的電磁波。電磁波在黑洞和鏡子之間來回反射，每反射一次能量就加強(qiáng)一次，最終會產(chǎn)生超輻射現(xiàn)象。

如果此時在殼狀體上開一個小縫，就會有大量輻射從縫中噴涌而出，我們就可以得到黑洞的能量，這些能量也許可以供我們使用數(shù)萬億年，人類文明也能得以維系。但再堅(jiān)固的鏡子殼狀體也有無法承受的那一天，當(dāng)輻射過于強(qiáng)烈，鏡子會發(fā)生散架，此時鏡子里無窮大的能量將如海嘯般席卷黑洞周圍的所有物質(zhì)，釋放出的能量可能等同于一個超新星爆發(fā)，將造成前所未有的大爆炸事件。

黑洞著實(shí)是個神秘的存在，我們從來沒有真正地看見過它，也不敢去真正地靠近它，因?yàn)槲覀儞?dān)心會被它強(qiáng)大的引力撕扯成碎片，瞬間灰飛煙滅。但我們卻有機(jī)會跟它“遠(yuǎn)程交易”，仿佛它只是一個普通的商人。

小貼士

什么是角動量守恒？

角動量是描述物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的量，它是物體質(zhì)量、速度和運(yùn)動軌道半徑的乘積。在沒有外力作用下，物體的角動量是不變的、守恒的，它不會無緣無故消失。比如對于自旋的物體來說，即便物體分割成幾個小物體，它們的角動量總和依然等于原來物體的角動量;而對于圍繞某個點(diǎn)轉(zhuǎn)動的物體來說，當(dāng)物體的軌道半徑變小，質(zhì)量不變，速度就會增大。