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从黑洞“偷取”太空旅行的动力

时间:2021-01-05    点击: 次    来源:不详    作者:佚名 - 小 + 大

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。

构建星际高速路网络

但是,到哪里去找运动速度如此之快的黑洞呢?

这类黑洞还是有的,比如在双黑洞系统中。在这类系统中,两个黑洞的引力太强了,当它们彼此绕着对方转时,需要以极大的速度,才能产生足够的离心力,用以抵抗万有引力。

不过,为了能够利用“光环驱动”,我们的飞船首先得星际旅行到这样一对黑洞附近,其次还需要非常强大的激光。这些对于我们都是不容易克服的障碍。

但是往好处想,一旦克服了这些障碍,我们就可以利用分布于整个宇宙的双黑洞系统充当“加油站”,构建一张星际高速路网络。人类的飞船就能在“高速路”上来回穿梭,星际旅行中困扰我们的动力问题,也就迎刃而解了。

(姚梅芬摘自《大科技·科学之谜》2020年第1期)

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