从黑洞“偷取”太空旅行的动力

2020-11-23石无鱼

风流一代·经典文摘 2020年11期

石无鱼

众所周知，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，也会被它像吸面條一样吸进去。至于掉进黑洞的物质，更是别指望它们能出来。既然如此，看到这个题目，你必定会很奇怪：那怎么能从这样一个如此吝啬的“守财奴”那里“偷取”能量呢？

我没说错，是从黑洞“偷”能量，而且还是让人类的飞船去偷，偷来能量给自己加速，从而实现星际旅行的美梦——甚至，这一切都不涉及诡秘的量子过程。

引力弹弓效应

如果你看过2019年的贺岁片《流浪地球》，你或许还记得，地球为了获得第三宇宙速度（617.7千米/秒），逃出太阳系，不得不向木星借力，结果还差点被木星俘获。这个借力实际上利用了天文学上的“引力弹弓效应”。飞行器往往利用引力弹弓效应来零消耗地改变方向、提升速度，送达目标轨道。

这个“力”怎么借呢？为了说清楚这一点，我们先来看两个例子。

例一：有一个乒乓球，以30千米/小时的速度朝一堵墙水平飞去，假设球与墙壁发生弹性碰撞（即假设球没有损失任何能量），那么它将以30千米/小时的速度弹回，只是与原运动方向相反。

例二：现在，假设这堵墙动了起来，以50千米/小时的速度向前行驶（你可以把它想象成车头上的玻璃窗），你迎着它以30千米/小时的水平速度（相对地面）抛出一个乒乓球。假设球和墙壁依然发生弹性碰撞，那么请问：相对地面，球将以多大的速度弹回呢？

30千米/小时吗？（30+50=80）千米/小时？都不对！

这个问题我们可以这样来考虑：首先，以运动的墙为参照系。在这里墙是静止的，球以（30+50=80）千米/小时朝它运动去。在这种情况下，根据例一，我们很快知道，球将以80千米/小时的速度弹回。但注意，这个80千米/小时是球相对墙的速度，而现在墙以50千米/小时向前移动。如果站在地面看，应该是：球相对地面的速度=球相对墙的速度+墙相对地面的移动速度=（80+50）千米/小时=130千米/小时！

在这里，球向移动的墙借力，获得了2倍墙移动速度（即50×2=100千米/小时）的额外速度。球获得额外的速度，自然也获得了额外的动能。但这个能量不是平白无故产生的。根据能量守恒定律，移动的墙必定要损失能量，因此速度减慢。只是考虑到墙的质量比乒乓球大许多，这个速度变化可以忽略不计。

现在我们来看引力弹弓效应。

假设飞行器以V的速度（相对太阳）飞向一颗行星，再假设行星相对太阳静止不动（你不如直接把它想象成太阳好了），在行星引力作用下，飞行器的轨道发生弯曲，在绕了行星半周之后，仍以V的速度飞出，只是方向正好调了个头。

这种情况是不是跟例一很相似？区别仅在于那里发生了弹性碰撞，这里则是引力作用。

现在，行星相对太阳不是静止的，而是以U的速度运动。飞行器的情况不变。那么请问，飞行器绕行星半周之后飞出时，相对太阳的速度是多少？有了例二的知识准备，就不难回答了：V+2U。换句话说，飞行器在没任何能量消耗的情况下，获得了2U的额外速度。

如何从黑洞“偷取”能量？

但这一切跟从黑洞“偷取”能量有什么关系呢？

理论上讲，只要把上节的“行星”换作“黑洞”，宇宙飞船就可以利用黑洞的引力弹弓效应来提升自己的速度——你瞧，从黑洞“偷”能量还是不难理解的，是不是？

然而，正如地球借力木星是一个冒险的行动，飞船借力黑洞也是一个冒险的操作，因为有永远掉进黑洞魔爪的危险。

高速运动的双黑洞系统

幸运的是，美国哥伦比亚大学的一位理论物理学家发现，我们不需要拿飞船本身去冒险，你可以让飞船发射的一束激光去玩引力弹弓游戏。

方法是这样：如果飞船以适当的角度向一个朝着它运动过来的黑洞发射一束激光，只要距离不要太靠近，那么这束激光将沿着黑洞周围极度扭曲的空间，绕黑洞半周之后，原路返回。根据广义相对论的计算，虽然光速前后保持不变，但光折返时所带的能量将比之前多了——正如上一节的分析，光通过引力弹弓效应，从黑洞获得了额外的能量。这个额外能量将以光的波长变短的形式表现出来（因为我们知道，单个光子的能量与波长成反比）。当光束反射回来时，如果飞船能及时将其捕获，那额外的能量就可以给飞船提供动力。

黑洞相对飞船的运动速度越快，这个“窃计”越奏效。这位物理学家计算了一下，当一个黑洞以0.6c（c为光速）的速度朝飞船运动时，飞船将能被加速到0.78c。他将这种获得能量的方式称为“光环驱动”，因为激光会在黑洞周围产生光环。