科學人 發行日期:2015/04 刊號:158
分享| 分享至新浪微博 分享至facebook 分享至PLURK 分享至twitter

天文物理 黑洞電梯

撰文/布朗(Adam Brown) 翻譯/高涌泉

 有一天太陽將會死亡,因為用於核融合反應的燃料會燒完,太陽系因而變冷。屆時即便地球還能倖存,人類也將陷於無止境的寒冬中。為了生存,我們的後代必須想出備案。首先,他們會消耗地球的資源,接著是太陽系的資源,最後用完可見宇宙一切星系中所有恆星的資源。當一切都耗盡了之後,他們一定會盯上最後剩下的能量儲存處所:黑洞。他們能不能夠從黑洞擷取能量來拯救文明呢?
我在這裡要報告壞消息:這個想法行不通。理由和一些奇異物體的物理性質有關,例如量子弦與太空電梯(科幻小說喜愛的題材)。

虛幻的期待
就表面上來看,從黑洞擷取能量(或其他事物)是不可能的事。黑洞畢竟是被包裹在所謂的「事件視界」(event horizon)內,這是一個只能進不能出的球面,重力場會變成無窮大,任何進入這個球面的事物都無法脫身。於是用來在黑洞上敲出一個洞、然後抽取能量的重球錘,會遭受撕裂,並且被黑洞吞噬;操縱這個重球錘的操作員也一樣不幸。若把炸彈拋進黑洞裡,不但無法摧毀黑洞,反而使黑洞的質量變得更大,因為加入了炸彈的質量。進入黑洞的事物不可能再出來:小行星不行、火箭不行、甚至光也不行。

以上是大家過去的認知。但是霍金(Stephen Hawking)於1974年發表了一篇我認為是有史以來最令人震驚、最可喜的物理學文章,他在這篇文章中證明大家都錯了。霍金以柏肯斯坦(Jacob D. Bekenstein,現任於以色列耶路撒冷希伯來大學)的點子為基礎,證明了黑洞會釋出少量的輻射。若落入黑洞中,你還是會死;儘管不能活著出來,你所蘊涵的能量終究還是可以逃離。這個結論對於想從黑洞擷取能量的人來說是好消息:能量可以逃離黑洞!

能量可以逃離的理由在於奇妙的量子力學:量子力學的特徵之一即是粒子可以穿透本來通過不了的障礙。滾向很高屏障的一個粒子,有時能夠出現於屏障的另一邊。千萬不要在家裡嘗試這件事,不要以為你若撞向一面牆,就有機會毫髮無傷地出現在牆的另一面;只有微觀粒子才比較容易穿透障礙。

量子穿隧效應讓α粒子(氦原子核)逃脫放射性鈾原子核的束縛,這也正是「霍金輻射」能從黑洞釋出的效應。粒子是藉由量子穿隧效應,而不是以激烈碰撞來逃離事件視界無窮大的重力場。(當然,還沒有人看過黑洞輻射,但是由於這現象來自把量子力學應用於彎曲時空,其中的數學推導相當嚴謹,所以沒有人懷疑其正確性。)

因為黑洞會輻射,所以我們或許會期盼從黑洞獲取能量。不過魔鬼藏在細節裡;無論我們如何想盡辦法去擷取這種能量,終究還是會遭遇麻煩。

1