身体的

是否有可能'爆炸一个黑洞?

黑洞的直接环境包含大量的能量。但要提取,未来的文明将不得不建立一种违反物理定律的空间提升。

亚当布朗 对于Science N°451
本文保留用于科学用户

想象最糟糕的科幻情景。太阳停止闪亮,燃料加油核融合已经用尽。地球 - 如果它幸存下去明星的死亡 - 然后潜入永恒的冬天。如果它仍然,该男子必须在其他地方找到能源来源,在其他恒星中开始。尽管如此,一旦所有的星星都关闭了,它将作为能量来源仍然是什么?黑洞。但有可能恢复这种能量并保存文明吗?

当然,这种情况是“被头发拉动”。但我们仍然可以问我们是否有可能利用黑洞的能量。这些问题是一种很好的借口,可以看出一个黑洞的物理学,特别是它的事件的地平线,以及研究建立巨大结构并受科学小说推广的可能性:空间升降机。

不返回的边界......或者几乎

乍一看,从黑洞中提取能量(或任何东西)似乎是不可能的。实际上,黑洞事件的地平线被定义为限定球形区域的边界,其中黑洞的引力场变得如此强烈的,即穿透的所有渗透不能再逃脱:也不是陨石,也不是火箭,也不是火箭光。这个球体内的所有冒险都注定要消失。以同样的方式,一个炸弹在黑洞上掉落,远离摧毁它,只能使其在等于炸弹质量的金额中增长。

这是我们的想法。但在1974年出版的文章中,斯蒂芬霍金表明我们错了。通过开发Jacob Bekenstein的想法,现在在耶路撒冷大学的希伯来大学,Stephen Hawking解释说,黑洞留下少量辐射。无论如何,如果你陷入其中,你会死,但是,虽然你永远不能作为一个人重温,但你的能量最终会出来。对于那些想利用黑洞的人来说,这是一个好消息:能源逃脱。

这种能量逃逸的原因与量子力学规律相关联。量子物理学的特征现象之一是它允许颗粒通过隧道效应通过障碍物,这是经典的,应该是不可能的。不要在家尝试这样做:如果你把自己扔在墙上,你就不太可能在另一边重新出现完整......另一方面,微观粒子有一个小而非零的概率'实现这一目标。例如,没有这种量子隧道效应,α放射性是不可能的:α颗粒(氦芯)无法逃离放射性铀的核心。

由于隧道效应,“Hawking辐射”泄漏出黑洞。颗粒逸出地平线的强烈引力场,不归功于高速,但通过隧道效应进行路径。黑洞中的囚犯粒子可以从地平线的另一边去起飞。

辐射非常低:太阳质量的黑洞看起来很弱,即其温度仅为60纳米锁链。直到20世纪80年代,我们甚至没有知道如何在实验室那么冷。该黑洞的温度甚至低于与宇宙漫射背景的辐射相关的甚至低于380,000岁的宇宙,现在是2.7个厄尔韦斯。

因此,没有天体物理观察结果使得可以突出黑洞发出的霍基的辐射,但是将量子力学施加到没有一个人的弯曲空间是如此令人信服的数学后果。敢怀疑它。

由于黑洞释放能量,我们可以希望恢复和利用它。但是魔鬼是细节。我们会看到我们尝试提取这种能量的方式,我们遇到困难。

一个简单的方法只是在等待。黑洞应该慢慢蒸发,在宇宙中发出其能量,光子,在宇宙中。虽然它辐射,黑洞失去质量,直到最后消失。从这个意义上讲,黑洞与一杯咖啡相当,在重力肢解的惩罚下无法触及表面的咖啡。仍有一种消耗灾难咖啡的方法:等到它蒸发并吸入蒸汽。

但有一个 。如果易于等待,这种方法不是很有效。要完全蒸发,黑色太阳能将放10 57 当前宇宙年龄,持续时间很长。通常,黑洞的寿命与立方体的质量成比例。没有足够的激励我们的后代。

一个被剥削的颗粒罐

但是,有一个原因是乐观:从事事件的地平线出现的所有霍克灵粒子都不会逃脱无限。事实上,很少有成功,这解释了为什么辐射是如此虚弱。几乎所有通过隧道效应出现的隧道效应的颗粒被引力场重新覆盖并由黑洞检索。如果我们发现一种方法可以从黑洞的抓地力撕裂这些光子,在他们的逃避和重复之前拯救他们,我们可以更快地收集能量。

为了了解如何拯救这些光子,必须首先在黑洞附近工作的极端力量。大多数粒子被重新覆盖的原因是它们不会完全垂直发射。想象一下,你在地平线之外举行激光。为了逃避光,你必须坚持下去;你接近地平线的越多,你就越准备好了。引力场是如此强烈的,如果你偏离这个方向一点点,光线的路径会弯曲并将落入黑洞。

让我们在这一点上停下来。为什么不垂直方向沉淀颗粒的命运?如果轨迹不完全垂直,则部分运动可以被认为是黑洞周围的旋转运动。这是旋转速度伤害偏离粒子的机会。

听起来很奇怪。毕竟,它正是轨道中的齿轮,确保了国际空间站留在空中:旋转运动会产生离心力 - 类似于我们在汽车中的觉得轮到 - 这反对地球的吸引力和在恒定的海拔地区维持站。但是,如果接近黑洞,情况逆转:转速防止释放。这种效果来自通用相对论的理论,根据该效果,整个质量和能量受到重力 - 不仅是物体其余部分的质量,还具有其轨道动能。离心力始终存在,但是,在黑洞附近(更精确地,少于一半的活动地平线),与轨道动能相关的引力吸引力比离心排斥力强。在这射线下方,较高的角速度下降在黑洞中更快地缩小粒子。

我们这里利益的结果是,在黑洞的地平线上方,存在更多的粒子,这些颗粒仅表明霍金的辐射真正逃离了明星。这种能量粒子的激增导致定义黑洞的“热气氛”:你越接近活动的地平线,最热门的越热。这种热量携带能量。

能量存储在事件之外的事实Horizo​​ n表示可能恢复它的可能性。它仍然看到如何,具体地,提取这种能量。这个想法将是在黑洞的地平线附近接近一个盒子,用热气体填充 - 霍克林颗粒 - 并将其带离黑洞。没有帮助,部分内容可能已经能够逃脱,形成经典的鹰派辐射,但大多数气体,如果我们没有干预,则旨在崩溃。

这种策略是吹咖啡。如果没有这种动作,发射的大部分水蒸气都落入杯中,但在表面上吹过表面,在重新填充之前将逐渐消除蒸汽。因此,这个想法是:通过剥离其热气氛的黑洞,一个人加速其蒸发。它的寿命将不再与立方体的质量成比例,而是与质量成比例,这相当短。

但是,我表明这个想法是不可能的实践。障碍物不是关于量子力学或量子重力的高考虑因素。从更琐碎的考虑来看:没有固体绳索来固定盒子并防止它落入黑洞。为了利用热烈气氛,您必须能够挂在黑洞附近的绳子,换句话说,您必须创建空间升力。但是,正如我所示的那样,在黑洞附近建造有效的空间升力是不可能的。为什么 ?

空间电梯是一种未来主义的结构,凭借在1979年的小说中的科幻·亚瑟克克的作者表示着名, 天堂的喷泉。他想象一根绳子悬挂在地球表面的空间。这种绳索不是通过地面的反应而保持(如在摩天大楼中,每个楼层保持上面的摩天大楼),但通过顶部的牵引力(每个弦段保持下图。绳子的末端在慢速轨道上停泊,非常超越地球静止轨道,这将绳索向外拉动,现在装配在空中。绳子的下端悬挂在地球表面上方,股权的平衡随着魔法(魔法,注意到克拉克,不可能区分技术的魅力,而且是不可能的。

这种先进技术的想法是,一旦绳索到位,就会在轨道中安装负载变得更加容易。没有更多的危险,低效率或浪费的火箭,这在他的旅行的第一部分,主要来自燃料。相反,我们将燃料到绳子电梯。将货物移动到低地面轨道的成本只会是电力,并且在空间上涨一公斤的空间将不再是空间班车的成千上万美元,但会回到几美元:空间之旅地铁机票的价格。

技术障碍对空间升降机的建设是无数的,最重要的是找到绳索的足够材料。它必须是坚实的和轻质:坚固而不是在电压下伸展或打破,而光不能不必要地向上面充电。

钢不能抵抗足够远。为了弥补这种缺陷并支持电缆的重量钢,可以在高度增加时增加其部分。但是,在地球附近,电缆应该每隔几公里加倍直径。在达到地球稳期性点之前,他将达到不切实际的厚度。

用材料构建地球的空间升降机 XIX.本世纪是不可能的。但是的材料 XXI.e 世纪很有希望。碳纳米管,具有巢巢结构的长碳丝带,比钢更耐1000倍。他们为建造空间升降机做出优秀的候选人。

这样的项目将花费数十亿美元,并将是迄今为止迄今为止的最大网站。此外,它需要发现如何旋转数万千公里长的纳米管,并且显然存在许多其他障碍能够克服。但对于像我这样的物理学理论家,一旦确定建议的结构并没有违反已知的物理定律,其他一切都是工程。

抬起黑洞

当然,在一个黑洞中,问题更复杂。引力场更加强烈,而且地球之间的工作不足以让我们感兴趣的情况。

甚至使用阻力被提升的碳纳米管,一个假设的空间电梯,将在黑洞的地平线附近下降,这是如此结束,在黑洞附近,只有一个光子就足以破坏它,无论是如此厚的遥控器绳子在自己的严重程度下坍塌的黑洞并成为一个黑洞本身。

这消除了碳纳米管。但与铁器时代遵循青铜时期的同样的方式,碳纳米管将有一天成功钢,我们可以希望发现更具抗性和更轻的材料。但改善无法无限期地继续。工程学进度有限,自然定律施加。关于靠近黑洞的空间电梯,它是与确定因子的材料的拉伸电阻/重量相比的极限。本报告对钢和纳米管不足,但有一种相当耐料材料吗?无论材料如何,都是可计算的最大理论抗性,并且是关系的惊人后果 E = M C.2 d'Albert Einstein.

如何评估绳索的拉伸强度,以防止其断裂?绳索的张力表示您需要花费多少能量来延长它:绳索越态,延长它的能量就越多。弹性有一定的张力,因为你花了能量重新排列其分子伸展它:当分子易于重新排列时,电压低;当需要大量的能量来重新排列分子时,张力很高。

拓展分子不是延长绳索的唯一方法。还可以在一端(其量粘在前一个)上添加分子,一到一个)。供应的能量以创建一个胶水由爱因斯坦关系给出的分子, E = M C.2 :能量等于质量的产物 (m) 新绳索由光速度的平方 (与... 2).

这是一个非常昂贵的延伸绳子的方法。可以表明,该推理提供高于延伸绳索的能量成本的限制,因此无论其组成如何,绳索的张力的理论限制。没有绳索可以承受大于每单位长度的质量的电压乘以 c2.

这种物质抵抗的基本极限留下了大量的进展。钢的电阻比该理论极限的数百百万倍,并且在等于质量时,碳纳米管的电阻仍然仍然更低数百倍。这种理论限制也意味着我们无法无限期地改善我们的材料,正如我们推动更快的速度,所以通过光速的努力受到限制。

有一种假设的材料,精确地达到了极限。在实验室中从未观察过这种材料,一些物理学家甚至怀疑它存在,但它已经有一个名称:量子绳索。 “绳索理论”的结果,研究人员正在研究它主要是因为它可能是物质的基本组成部分。为了我们的需求,它不是它的基本性质,但它的阻力。

量子绳索是固体。可以将珠穆朗玛悬挂在由尺寸相同尺寸和与蕾丝相同的量子绳索组成的电缆上。最强大的工程挑战需要最有效的材料。如果我们想在黑洞周围建一个空间电梯,我们最好的希望是使用量子绳索;在纳米管失败的情况下,基本绳索可能会成功。如果材料可以实现这种壮举,则是量子绳索;相互的,如果量子绳索没有达到,则黑洞没有任何恐惧。

再次,我们遇到了一个障碍:量子绳索对我们想要做的使用不够强大。甚至在一个黑洞周围,甚至是“轻松”,即使是一个黑洞,它就会更强大。一点脆弱,这个项目绝望:绳子在自己的重量下会破裂。量子绳索正好是极限:由量子绳索组成的电缆,朝向黑洞的表面悬挂,具有足够的阻力来支撑其自身的重量,但它不能支持电梯的负荷。笼子太多了。

电缆可以达到黑洞的密集气氛,但它不足以利用它。一个解决方案是仅在高气氛中降低电缆:能量的量有限,但可利用。

然而,这种精益饮食比等待黑洞蒸发,产量几乎相同。通过在这里或那里突破一些光子,我们可能缩短了一个黑洞的寿命,但我们无法制定提供饥饿文明所必需的工业提取的类型。

初始问题再次“被头发拉动”,但它允许我们冒险到物理的极限,其中的有限速度是障碍。这可以防止我们逃离黑洞的地平线或建造宇宙升降机,因为绳索永远不会比光速的平方更加稳定,而是每单位长度的质量乘以其质量。

黑洞可以安静:我们不能比他们蒸发更快的能量。幸运的是,人类仍然在它面前有美好的日子来享受太阳的热量。

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