從黑洞“偷取”太空旅行的動(dòng)力

石無(wú)魚(yú)

眾所周知，黑洞的引力是如此之大，以至于宇宙中跑得最快的光，如果靠得太近，也會(huì)被它像吸面條一樣吸進(jìn)去。至于掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)，更是別指望它們能出來(lái)。既然如此，看到這個(gè)題目，你必定會(huì)很奇怪：那怎么能從這樣一個(gè)如此吝嗇的“守財(cái)奴”那里“偷取”能量呢？

我沒(méi)說(shuō)錯(cuò)，是從黑洞“偷”能量，而且還是讓人類(lèi)的飛船去偷，偷來(lái)能量給自己加速，從而實(shí)現(xiàn)星際旅行的美夢(mèng)——甚至，這一切都不涉及詭秘的量子過(guò)程。

引力彈弓效應(yīng)

如果你看過(guò)2019年的賀歲片《流浪地球》，你或許還記得，地球?yàn)榱双@得第三宇宙速度（617.7千米/秒），逃出太陽(yáng)系，不得不向木星借力，結(jié)果還差點(diǎn)被木星俘獲。這個(gè)借力實(shí)際上利用了天文學(xué)上的“引力彈弓效應(yīng)”。飛行器往往利用引力彈弓效應(yīng)來(lái)零消耗地改變方向、提升速度，送達(dá)目標(biāo)軌道。

這個(gè)“力”怎么借呢？為了說(shuō)清楚這一點(diǎn)，我們先來(lái)看兩個(gè)例子。

例一：有一個(gè)乒乓球，以30千米/小時(shí)的速度朝一堵墻水平飛去，假設(shè)球與墻壁發(fā)生彈性碰撞（即假設(shè)球沒(méi)有損失任何能量），那么它將以30千米/小時(shí)的速度彈回，只是與原運(yùn)動(dòng)方向相反。

例二：現(xiàn)在，假設(shè)這堵墻動(dòng)了起來(lái)，以50千米/小時(shí)的速度向前行駛（你可以把它想象成車(chē)頭上的玻璃窗），你迎著它以30千米/小時(shí)的水平速度（相對(duì)地面）拋出一個(gè)乒乓球。假設(shè)球和墻壁依然發(fā)生彈性碰撞，那么請(qǐng)問(wèn)：相對(duì)地面，球?qū)⒁远啻蟮乃俣葟椈啬兀?/p>

30千米/小時(shí)嗎？（30+50=80）千米/小時(shí)？都不對(duì)！

這個(gè)問(wèn)題我們可以這樣來(lái)考慮：首先，以運(yùn)動(dòng)的墻為參照系。在這里墻是靜止的，球以（30+50=80）千米/小時(shí)朝它運(yùn)動(dòng)去。在這種情況下，根據(jù)例一，我們很快知道，球?qū)⒁?0千米/小時(shí)的速度彈回。但注意，這個(gè)80千米/小時(shí)是球相對(duì)墻的速度，而現(xiàn)在墻以50千米/小時(shí)向前移動(dòng)。如果站在地面看，應(yīng)該是：球相對(duì)地面的速度=球相對(duì)墻的速度+墻相對(duì)地面的移動(dòng)速度=（80+50）千米/小時(shí)=130千米/小時(shí)！

在這里，球向移動(dòng)的墻借力，獲得了2倍墻移動(dòng)速度（即50×2=100千米/小時(shí)）的額外速度。球獲得額外的速度，自然也獲得了額外的動(dòng)能。但這個(gè)能量不是平白無(wú)故產(chǎn)生的。根據(jù)能量守恒定律，移動(dòng)的墻必定要損失能量，因此速度減慢。只是考慮到墻的質(zhì)量比乒乓球大許多，這個(gè)速度變化可以忽略不計(jì)。

現(xiàn)在我們來(lái)看引力彈弓效應(yīng)。

假設(shè)飛行器以V的速度（相對(duì)太陽(yáng)）飛向一顆行星，再假設(shè)行星相對(duì)太陽(yáng)靜止不動(dòng)（你不如直接把它想象成太陽(yáng)好了），在行星引力作用下，飛行器的軌道發(fā)生彎曲，在繞了行星半周之后，仍以V的速度飛出，只是方向正好調(diào)了個(gè)頭。

這種情況是不是跟例一很相似？區(qū)別僅在于那里發(fā)生了彈性碰撞，這里則是引力作用。

現(xiàn)在，行星相對(duì)太陽(yáng)不是靜止的，而是以U的速度運(yùn)動(dòng)。飛行器的情況不變。那么請(qǐng)問(wèn)，飛行器繞行星半周之后飛出時(shí)，相對(duì)太陽(yáng)的速度是多少？有了例二的知識(shí)準(zhǔn)備，就不難回答了：V+2U。換句話說(shuō)，飛行器在沒(méi)任何能量消耗的情況下，獲得了2U的額外速度。

如何從黑洞“偷取”能量？

但這一切跟從黑洞“偷取”能量有什么關(guān)系呢？

理論上講，只要把上節(jié)的“行星”換作“黑洞”，宇宙飛船就可以利用黑洞的引力彈弓效應(yīng)來(lái)提升自己的速度——你瞧，從黑洞“偷”能量還是不難理解的，是不是？

然而，正如地球借力木星是一個(gè)冒險(xiǎn)的行動(dòng)，飛船借力黑洞也是一個(gè)冒險(xiǎn)的操作，因?yàn)橛杏肋h(yuǎn)掉進(jìn)黑洞魔爪的危險(xiǎn)。

高速運(yùn)動(dòng)的雙黑洞系統(tǒng)

幸運(yùn)的是，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的一位理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們不需要拿飛船本身去冒險(xiǎn)，你可以讓飛船發(fā)射的一束激光去玩引力彈弓游戲。

方法是這樣：如果飛船以適當(dāng)?shù)慕嵌认蛞粋€(gè)朝著它運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)的黑洞發(fā)射一束激光，只要距離不要太靠近，那么這束激光將沿著黑洞周?chē)鷺O度扭曲的空間，繞黑洞半周之后，原路返回。根據(jù)廣義相對(duì)論的計(jì)算，雖然光速前后保持不變，但光折返時(shí)所帶的能量將比之前多了——正如上一節(jié)的分析，光通過(guò)引力彈弓效應(yīng)，從黑洞獲得了額外的能量。這個(gè)額外能量將以光的波長(zhǎng)變短的形式表現(xiàn)出來(lái)（因?yàn)槲覀冎溃瑔蝹€(gè)光子的能量與波長(zhǎng)成反比）。當(dāng)光束反射回來(lái)時(shí)，如果飛船能及時(shí)將其捕獲，那額外的能量就可以給飛船提供動(dòng)力。

黑洞相對(duì)飛船的運(yùn)動(dòng)速度越快，這個(gè)“竊計(jì)”越奏效。這位物理學(xué)家計(jì)算了一下，當(dāng)一個(gè)黑洞以0.6c（c為光速）的速度朝飛船運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛船將能被加速到0.78c。他將這種獲得能量的方式稱(chēng)為“光環(huán)驅(qū)動(dòng)”，因?yàn)榧す鈺?huì)在黑洞周?chē)a(chǎn)生光環(huán)。

構(gòu)建星際高速路網(wǎng)絡(luò)

但是，到哪里去找運(yùn)動(dòng)速度如此之快的黑洞呢？

這類(lèi)黑洞還是有的，比如在雙黑洞系統(tǒng)中。在這類(lèi)系統(tǒng)中，兩個(gè)黑洞的引力太強(qiáng)了，當(dāng)它們彼此繞著對(duì)方轉(zhuǎn)時(shí)，需要以極大的速度，才能產(chǎn)生足夠的離心力，用以抵抗萬(wàn)有引力。

不過(guò)，為了能夠利用“光環(huán)驅(qū)動(dòng)”，我們的飛船首先得星際旅行到這樣一對(duì)黑洞附近，其次還需要非常強(qiáng)大的激光。這些對(duì)于我們都是不容易克服的障礙。

但是往好處想，一旦克服了這些障礙，我們就可以利用分布于整個(gè)宇宙的雙黑洞系統(tǒng)充當(dāng)“加油站”，構(gòu)建一張星際高速路網(wǎng)絡(luò)。人類(lèi)的飛船就能在“高速路”上來(lái)回穿梭，星際旅行中困擾我們的動(dòng)力問(wèn)題，也就迎刃而解了。

（姚梅芬摘自《大科技·科學(xué)之謎》2020年第1期）