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给你个黑洞，你会怎么用它？（文字版）

Linvo说宇宙

2025-03-18 10:41发布于天津科普领域创作者

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假如给你个黑洞，你打算怎么利用它？今天教你7个高效利用黑洞的方法！保存下来，或许有天用的到（比如写科幻小说^^）。

1、黑洞戴森球

戴森球（Dyson Sphere）相信大家多少都有了解，它源自美国物理学家、数学家弗里曼·戴森的一个思想实验。他认为，宇宙中的任何文明对能量的需求都是稳步增长的，如果一个文明能够延续足够长的时间，那么早晚有一天，它们对能量的需求会膨胀到必须利用母恒星“全部”的能量输出。

理论上，地球能接收到的太阳辐射只占太阳总辐射量的二十二亿分之一，所以如果我们只在地球上想办法那肯定是不行的。要想尽可能地收集太阳的能量，我们势必要对太阳释放出的能量从各个角度进行全方位地拦截，比如用一个类似“罩子”的东西把太阳给罩住。

当然，这只是最完美的情况，建造一个百分百全包围的罩子显然不现实。实际上我们可以在太阳周围松散地部署一些收集器，不用太多够用就行。这样哪怕后来对能量的需求增加了，那也只需要增加收集器的数量就行，这也是戴森原本的设想。不过需要注意的是，戴森本人并没有从细节上论述如何建造戴森球，他只是单纯从能量收集角度进行的设想。

借鉴戴森球的设想，既然能把恒星罩起来，那是不是也能把黑洞罩起来。“黑洞不是只进不出吗，罩它有什么用？”要知道，现实里的黑洞基本上都是带吸积盘的，天文学家之所以能发现这些黑洞，很多都是靠吸积盘的辐射进行的定位。

所谓吸积盘，就像黑洞的餐盘，它是物质被黑洞吞噬前所在的地方。通常情况下，物质并不是直接落入黑洞，而是先被黑洞的潮汐力撕碎进入吸积盘，然后在吸积盘中不断向内旋进。在这个过程中，那些被撕碎的物质最终会成为粒子，然后在摩擦中逐渐发光发热，甚至释放出X射线等高能辐射。该过程的能量转化效率通常能达到10%以上，相比之下核聚变的转化效率仅有0.7%。

所以，你要是能搞一个“黑洞戴森球”出来，把黑洞连同整个吸积盘包裹起来，那能量收集效率……三体人见了都得说自己是“原始社会”。

2、彭罗斯能源站

吸积盘终究是黑洞的“身外之物”，要直接获取黑洞的能量还得想其他办法，比如偷取它的角动量。

由于现实中的黑洞都是旋转的克尔黑洞，它就像一个超级大陀螺，携带着巨大的旋转能。获得2020年诺贝尔物理学奖的罗杰·彭罗斯就曾提出过一个偷取黑洞旋转能的方法——彭罗斯过程（Penrose process）。

经常去黑洞的小伙伴应该知道，对于旋转黑洞来说它有内外两个视界面，在外视界面的外部，这里存在一块被称为“能层（Ergosphere）”的区域（你听这名字——“能层”，听着就感觉很有能量）。

上次说过，旋转黑洞会拖拽着它周围的时空一起旋转，这被称为“参考系拖拽（Frame-dragging）”效应。在该效应下，位于能层中的物质如果能以足够快的速度逆着黑洞旋转的方向运动（其实就是降低被拖拽的程度），那么它在能层内部就相当于拥有了负的能量。假如此时你把该物质丢掉，由于你减少了负的能量，负负得正，那就相当于你额外获得了一份正的能量。（看吧，只要你丢掉生活中的“负能量”，也就相当于获得了“正能量” ヾ(◍°∇°◍)ﾉﾞ）

有人可能要问了：“这些负的能量最后去哪了？莫非掉进了黑洞？但是黑洞的质量应该只增不减呀（黑洞面积定理）！”

没错，对于黑洞来说，此时它的总质量确实是减小了。不过，对于一个旋转的克尔黑洞来说，它的总质量（或者说总能量）可以分为两部分：一个是不可约质量（Irreducible Mass），一个是角动量。黑洞面积定理说的“只增不减”指的是前者——不可约质量。对于非旋转的静态黑洞（史瓦西黑洞）来说，不可约质量就是黑洞的总质量，但对于旋转黑洞来说，它的总质量一般还要算上角动量，这正是彭罗斯过程要偷的那部分能量。

假设我们把一个东西扔到黑洞的能层中，然后在适当的位置将它分裂成两部分：一部分掉入黑洞，一部分逃逸出去。其中掉入黑洞的那部分物质由于带走了一部分角动量，因此它将导致黑洞的旋转速度减慢；而逃逸出去的那部分物质，因为额外获得了相应的正能量，因此会被高速“弹出”。

“你有这么高速运动的物质弹出黑洞，记住彭罗斯给出的原理”。电影《星际穿越》里男主通过把自己送入黑洞，从而让女主得以加速逃离黑洞，用到的正是彭罗斯过程。

根据科学家计算，彭罗斯过程可以获得相当于物质自身质量20%以上的能量，比吸积盘辐射的效率高多了。

所以，假如可以建造一个专门往黑洞能层里扔东西的装置，被扔进去的东西在能层中自动分裂成两部分，然后该装置对“弹出”的那部分物质进行“动能回收”，这样一来你就能基于黑洞的旋转能，建立一个“旋转能能源站”。

3、喷流能源站

在偷取黑洞旋转能方面，其实有一种方式比彭罗斯过程更加高效，它被称为“布兰德福–日纳杰过程（Blandford–Znajek process）”。和彭罗斯过程那种粒子动力学不同，这种方法是通过电磁机制获取的黑洞旋转能。当然，这里的电磁场并非来自黑洞本身，而是同样由吸积盘带来的。没错，吸积盘不光有高能辐射，同时它还有着强大的磁场。因为吸积盘中的物质最终会变成等离子体，它们在高速运动和旋转的过程中会产生磁场，加上星际介质等外部磁场注入，最终黑洞吸积盘将携带极强的磁场。

前面说了，现实中的黑洞都是旋转的克尔黑洞，旋转会导致周围磁场线扭曲，产生感应电场。这些电场会加速周围的带电粒子（比如电子和正电子），使它们获得极高的能量并沿磁场线运动，最终它们会被集中并沿着黑洞的旋转轴方向传输，形成高度准直的粒子流射向宇宙，它便是经常伴随黑洞出现的“喷流（jet）”。也就是说，喷流相当于是把黑洞的旋转能转化成了电磁能，释放到了外界。

相较于吸积盘通过“摩擦”物质释放能量，喷流是直接获取黑洞的角动量，因此能量转化效率可以达到50%以上，是吸积盘辐射的数倍。

如果50%的效率还不够，那么形成喷流的另一个机制能直接把效率提升至150%！为啥能超过100%呢？因为相对于你的投入，这种方式黑洞是在大量反向补贴能量。

该机制发生在比吸积盘更靠近黑洞的地方，没错，还是之前说的能层。在强大的参考系拖拽效应下，先前黑洞周围的磁感线此时如同橡皮筋一样被高度扭曲，直至断裂。但和橡皮筋不同的是，这些断开的磁感线并不会一直断开，而是会重新连接起来，只不过连接的对象发生了变化，这种现象被称为“磁重联（Magnetic reconnection）”。

其实太阳的表面就存在这种磁重联现象，它被认为是耀斑爆发的主要原因。但和黑洞的磁重联相比，那些就小巫见大巫了。被黑洞磁重联加速的粒子，相当于获得了黑洞的“能源补贴”，加上那些被电磁加速的粒子，它们共同打造了喷流这种宇宙级的能量源。

喷流的能量有多高呢？比如以前说过的最亮伽马射线暴（GRB 221009A），它在爆发的短短几分钟内，释放的能量相当于我们的太阳一整个生命周期（也就是100亿年里）能够释放的能量的总和！这么一比，传统的恒星戴森球是不是弱爆了。

所以，不管你是利用喷流中的高能等离子体建造一个类似于托卡马克的装置，还是直接承接喷流的动能和电磁能，总之，只要能在黑洞喷流的路径上部署一个巨大的能量收集器，那么你将拥有几乎取之不尽的高效能源。

4、黑洞电池

无论是喷流还是彭罗斯过程，这些方法本质上获取的都是黑洞的旋转能，只是形式不同。那有没有真正获取黑洞本身能量的方式呢？当然有！那就是霍金辐射（Hawking radiation）。目前认为，霍金辐射是能量从黑洞本体中出来的几乎唯一途径。

关于霍金辐射之前专门做过一期详细介绍，它其实来自一种被称为“安鲁效应（Unruh effect）”的现象。简单来说就是处于加速运动的观测者会看到一种外界看不到的黑体辐射，换句话说就是加速运动的观测者会发现自己周围的环境会“升温”。根据广义相对论的等效原理，加速度和引力是等效的，所以黑洞附近的引力场应该也存在这种现象，表现出来就是黑洞存在热辐射，它是霍金辐射产生的真正原因。

关于霍金辐射，相信大家更多听到的其实是下面这种解释：就是因为真空存在量子涨落，在黑洞视界面的边缘附近会凭空出现虚粒子对。当负质量粒子出现在视界面内时，黑洞相当于失去了质量，而正质量粒子则带着这份能量逃了出去。这种解释不能说不对，只是它特别容易让人追问：“既然量子涨落是随机的，那正反粒子被黑洞吞掉的概率应该一样呀？”

其实霍金辐射更多基于的是数学模型，它并没有准确形象的物理图像。如果非要给一个解释的话，你可以这么去想：如果是正质量粒子掉进去的话，黑洞的质量就会变大一点点，视界面也会随之向外扩张一点点，这样负质量粒子逃逸的概率就会下降一点点；反之，如果掉进去的是负质量粒子，那黑洞质量就会减小一点点，视界面也会向内收缩一点点，这样正质量粒子逃逸掉的概率就会上升。所以最终的效果就是：正质量粒子逃逸的更多一些。（这个解释够形象了吧）

既然黑洞存在热辐射，那只要把它们收集起来就好了，甚至都不存在什么转化效率的问题，因为根本就没有投入，能量全部来自黑洞自己的产出。

不过，想利用霍金辐射有个最致命的问题，就是它太弱了。对于普通的恒星级黑洞来说，它的辐射温度在百亿分之一度这个量级。这点能量，别说收集起来用了，就是想探测到都极为困难，这也是霍金辐射迄今为止没被证实的主要原因。

不过办法也不是没有，因为霍金辐射还有一个特点，就是它的强度和黑洞的质量呈负相关，就是说，黑洞越小它蒸发得越快。所以呢，只要找到足够小的黑洞，用霍金辐射当能源还真可以。

然而现实中的黑洞最小也是太阳的数倍（奥本海默极限），除非它不是由恒星坍缩形成的，比如（理论中的）原初黑洞。这些诞生于宇宙初期的黑洞，可大可小，一颗小行星质量的黑洞就能存活至今。这么小的质量，黑洞的个头自然十分迷你，大概只有一个原子那么大。

就算没有原初黑洞，我们也可以借助粒子对撞机，只要能量足够高，直接撞一个微型黑洞出来也不是不可能。只不过微型黑洞造出来后需要立马注入大量能量，以便维持其稳定性。因此，这种情况的前提是你已经有了其他能量源，人造黑洞只是用来存储能量。

相比于前面提到的那些巨型能源站，这种方式对黑洞的利用更加便捷。这些小黑洞就像一块块电池，哪里需要放哪里，没“电”的话还可以通过往黑洞里扔点东西来“充电”。是不是非常完美？

5、时间机器

前面我们都是从能源方面来考虑怎么利用黑洞，其实黑洞能干的事远不止提供能量，你还可以用它来实现更加大胆的想法，比如建造一台时间机器。虽然它可能无法让你回到过去，但是“穿越”到未来还是没问题的。

构造一台可以穿越到未来的时间机器，利用的正是黑洞强大的引力。和狭义相对论的“速度越快时间越慢”类似，在广义相对论中“引力越大时间越慢”，这被称为“引力时间膨胀（Gravitational time dilation）”效应。比如地面上的表就比太空里的表走得更慢；山下的表就比山上的表走得更慢；甚至于你脚的时间也会比头过得更慢。

不过由于地球的质量着实太小，这点引力导致的时间膨胀效应极其微弱，除非用高精度的原子钟，否则根本无法察觉。然而对黑洞来说这就不是问题了，黑洞的引力是出了名的大，离黑洞越近时间膨胀效应越明显。

《星际穿越》里还有个桥段，男主一行人来到了黑洞附近的米勒星球上，虽然他们在那里只停留了短短几个小时，但是回去以后发现外面的时间已经过去了二十多年。这里的设定正是引力的时间膨胀效应。

所以，我们可以利用黑洞的这个特性，实现向未来的穿越。比如说你想亲眼看看前面说的那些从黑洞获取能源的方式在未来是否真的可行，那你就可以驾驶一艘飞船飞到黑洞附近。这样一来，你的时间就会被暂时“冻结”。等外界过了若干年后，你再驾驶飞船返回地球，然后你会发现，自己就像是穿越到了未来一样，整个世界已经沧海桑田。

6、黑洞硬盘

除了时间机器，黑洞还可以用来打造终极存储设备。

1972年，霍金从理论上证明了黑洞的表面积只会增加不会减少，并借此提出了“黑洞面积定理（black hole area theorem）”。宇宙中有什么东西是只增不减的呢？欸，没错，熵！同一时期的雅各布·贝肯斯坦正是基于该想法，提出了“黑洞熵”这一概念——黑洞的表面积和它的熵成正比。从此，一个全新的研究领域被开创了出来——“黑洞热力学（Black Hole Thermodynamics, BHT）”，“霍金辐射”的概念正来源于此。

“黑洞有温度”这事已经够逆天了，但是基于黑洞热力学，科学家又推导出了更加逆天的事：所有落入黑洞的物体的信息可能全都被保留在了视界面上，这就是所谓的“全息原理（Holographic principle）”。因此可以认为黑洞确实是可以“存储”信息的。

那么黑洞能存储多少信息呢？有科学家计算，一个质量与人类大脑相当的黑洞，它的信息容量是大脑的100万倍。更厉害的是，这样的一个黑洞它的大小只有不到原子核的万亿分之一！

那么问题来了：这些信息该怎么读出来呢？其实无论是信息还是能量，想从黑洞里出来那无非那一种途径……对，霍金辐射。至于霍金辐射是属于不携带信息的热辐射（完全随机），信息究竟是怎么从黑洞中出来的，这就牵扯到了关于黑洞的一个未解之谜——“黑洞信息悖论（Black hole information paradox）”。

不过就在前几年，曾作为霍金的学生唐·佩奇（Don Page）提出过一个“佩奇曲线”，它为解决黑洞信息悖论这一世纪难题带来了曙光。该理论认为，如果我们单独来看热辐射或者黑洞，它们看起来确实是随机的，但是如果你把它们综合起来考虑，也许就能还原信息本来的样子。打个比方：辐射信息就像是加密后的密文，单独看杂乱无章，但是黑洞内部保留着解密所需的密钥，只有把两者结合起来你才能解出明文。

不管具体怎么样吧，总之黑洞理论上确实可以用来存储数据。而且前面我们提到，霍金辐射的速率和黑洞的大小呈负相关，这意味着，越小的黑洞它的数据读取速度越快。假如你有多个闲置的微型黑洞，你甚至还能把它们组个“磁盘阵列”。所以，黑洞何尝不是一块完美的“超级硬盘”呢？

7、黑洞计算机

存储设备有了，那能不能想点办法直接攒一台“计算机”出来呢？你别说，这事还真有科学家想过。

在黑洞的量子计算模型中，霍金辐射的粒子（光子、中微子）包括引力子，它们的自由度通过量子纠缠和叠加态存储信息，这就类似量子计算机的“量子比特”。黑洞通过霍金辐射释放粒子，这些粒子携带了黑洞内部量子态的信息，可以视为对计算结果的输出。

在这里，量子纠缠虽然不直接参与信息传递，但它可以通过纠缠网络协调量子比特进行协同运算，不需要逐次操作量子比特。而且，由于量子纠缠几乎不花时间，这也加速了整个计算过程。另外，由于黑洞的量子自由度能量差（能隙）极低，因此“黑洞计算机”在信息处理阶段的能耗也极低，甚至接近于0。

假如你对算力的要求极高，是不是要用更大的黑洞才行呢？其实不然，大黑洞由于霍金辐射微弱，并不利于高效计算。相反，我们可以利用多个小黑洞，通过纠缠组成计算集群来提高算力。

所以，如果你能收集到足够多的微型黑洞，那么没准外星人都要找你租用算力。

好了，今天介绍的这些方法虽然看起来天马行空，但也不是毫无根据。因为这些设想都是基于目前相对比较成熟的理论给出的，像什么虫洞那些的我压根都没提。所以这些设想除了缺少亿点可造作性外，科学性嘛还是有的。

其实即使不涉及太多科学知识，黑洞能做的事也有很多。比如说最简单的，你就可以把黑洞当成个垃圾桶，任何不要的东西（甭管多大，也不管什么材质）一股脑扔进去就完事了，根本不用考虑什么垃圾分类的问题。如果这个小黑洞还能扩展成一块“黑洞电池”，那你扔掉的垃圾就相当于给它充电了。

好了，这期属于借着开脑洞把和黑洞相关的一些内容串着说了下。如果喜欢这样的内容，别忘了点赞关注。

[1] PENROSE, R., FLOYD, R. Extraction of Rotational Energy from a Black Hole. Nature Physical Science 229, 177–179 (1971).

[2] R. D. Blandford, R. L. Znajek, Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 179, Issue 3, July 1977, Pages 433–456

[3] Luca Comisso, Felipe A. Asenjo. Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes. Phys. Rev. D 103, 023014. (2021)

[4] HAWKING, S. Black hole explosions?. Nature 248, 30–31 (1974).

[5] Louis Crane, Shawn Westmoreland. Are Black Hole Starships Possible. arXiv preprint arXiv:0908.1803. (2009)

[6] Abraham Loeb. Illumination of a Planet by a Black Hole Moon as a Technological Signature. Research Notes of the AAS. Volume 8, Number 8, 200. (2024)

[7] Dvali G, Osmanov ZN. Black holes as tools for quantum computing by advanced extraterrestrial civilizations. International Journal of Astrobiology. 2023;22(6):617-640.

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