撰文 亚当·布朗（Adam Brown） 

亚当·布朗是美国斯坦福大学的理论物理学家，研究对象包括黑洞、大爆炸和“虚无之泡”。

翻译 姜小柱

虚幻的希望

乍看之下，从黑洞中提取能量或其他任何物质都是不可能的。黑洞似乎被一个“事件视界”包围着，这是一个有去无回的球面，球面内的引力场会变得无限大，任何误入这个球面的东西都将被毁灭。因此，投入黑洞的炸弹非但不能摧毁黑洞，反而会让它变得更大，增加的量就等于炸弹的质量。

但是，斯蒂芬·霍金在1974年发表论文证明黑洞会泄漏出少量辐射。如果你掉入黑洞，尽管你本人永远无法逃出来，但你的能量可以出来。这对于未来的黑洞能源开发者是一个好消息：能量是可以逃出来的。

能量能够逃离出来的奥秘隐藏在量子力学的神秘世界中。量子物理的一个标志性现象是：粒子可以穿过本不可能穿过的障碍。一个向着势垒（势能比周围高的区域，在经典物理范畴内，粒子的能量必须足够高才能从这个区域翻越过去）运动的粒子有时会出现在势垒的另一边。量子隧穿是α粒子（一个氦核）能够挣脱放射性铀核的原因，也是霍金辐射能从黑洞中泄露出的原因。粒子挣脱事件视界并不是直接突破了那近乎无限强的引力场，而是通过量子隧穿实现的。

由于黑洞会发出辐射，科学家有希望获取到它们的能量。但真正的难题在于细节方面，无论科学家如何去尝试提取这些能量都将困难重重。

一个简单的方法就是等待。经过足够长的时间后，黑洞会将自己的能量释放回宇宙中，每损失一点能量，黑洞都会减小一点，直到最后消失不见。遗憾的是，这个过程极其缓慢。要使一个质量与太阳相等的黑洞完全蒸发掉，需要无比漫长的时间，相当于现今宇宙年龄的1057倍。

开采“黑洞大气”

并不是每一个挣脱了黑洞视界的粒子都会逃逸到无穷远的地方。差不多所有通过隧穿效应穿过事件视界的粒子很快会再次被引力场俘获，然后被黑洞回收。如果利用某种方法将这些光子从黑洞的束缚中夺取过来，在它们已脱离视界但还没被再次俘获时将它们营救出来，也许可以更快地获取黑洞的能量。

要知道怎样夺取这些光子，首先必须研究黑洞附近的那些极端作用力。之所以绝大多数的粒子会被黑洞重新俘获，是因为它们并不是笔直射出的。当粒子过于接近黑洞的时候，旋转速度会阻碍物体逃离。根据广义相对论，引力会作用于所有的物质和能量——不仅是静质量，也包含轨道动能。当靠近黑洞时（更确切地说是在事件视界半径的1.5倍以内），轨道动能所带来的吸引力大于离心排斥力。在这个半径之内，旋转速度越大，粒子就会越快落入黑洞。

事件视界之外储存着能量，这让科学家想到了一个非常巧妙的办法来获取黑洞能量：我们可以接近黑洞，采集那里的热大气然后运出去，通过这种方式来开采黑洞能量。然而，本文作者亚当·布朗通过最近的研究证明这种设想是不可行的。这个结论并非源于对量子力学或量子引力的深层思考，而是来自最简单的考虑：我们找不到足够结实的绳子。为了开发那层热大气，你需要在黑洞附近悬挂一根绳子——建造一部太空电梯。但布朗发现，要在黑洞附近建造任何实际有效的太空电梯都是不可能的。

建造太空电梯

太空电梯（有时也被称作“天钩”）是幻想中的未来交通工具，因出现在科幻小说家亚瑟·C·克拉克（Arthur C. Clarke）1979年的小说 《天堂的喷泉》中而为人熟知。克拉克设想，让一根绳索悬挂在外太空并一直垂到地球表面。这根绳索不是由来自下方的推力所支撑，而是由来自上方的拉力拉着。绳索的远端系在一个巨大的、沿着同步静止轨道外围缓慢运行的物体上，这个物体向外拽着绳索，让整个装置保持悬浮。绳索的底端垂到地球的表面，由于各种力的平衡，就像用了魔法的力量一样静止在那里。

由于有那根绳索的存在，向轨道上运输货物会变得非常容易。我们不再需要火箭，取而代之的是附着在绳索上的以电力驱动的电梯。这样一来，将物品送到太空的费用将会比搭载航天飞机大大降低。

建造一个太空电梯需要克服艰巨的技术难题，其中最困难的是要找到一种适合做绳索的材料。理想的材料需要既轻又结实——结实就不会在拉力的作用下伸长或断裂，轻就不会让上方的绳索负担过重。钢材的强度是远远不够的。钢材的自身强度太重，所以从靠近地表一端开始，每隔几千米，钢索的半径就必须加倍。远在到达同步静止轨道的高度之前，绳索就已经粗到不切实际的程度了。但我们还有值得期待的新型材料。碳纳米管是碳原子组成的长带，它的强度是钢材的1000倍，是建造太空电梯的完美候选者。但如何才能把纳米管编制成数万千米长的绳子也是个必须解决的问题。

弦：最结实的绳子

在黑洞周围，问题显然会变得更加困难。那里的引力场更强，在地球附近可行的办法到了那里就会失效。

目前已经证明，即使借助碳纳米管建造一个可以抵达黑洞视界附近的太空电梯也是不可行的。承载这种电梯的碳纳米管绳索要么在靠近黑洞的一端会细到能被一个“霍金辐射”光子破坏，要么在远离黑洞的一端会由于太粗而在自身引力作用下坍缩，自己变成一个黑洞。

因此，我们将期待材料科学家发明出越来越结实、越来越轻的材料，但这种进步不会无限持续下去——它将面临一个工程学的极限——材料的张力强度与重量之比是不可能无限增大的。

根据某些理论的猜想，有一种绳子材料能恰好达到这个极限，这意味着它是所有材料中最结实的。这种材料从未在实验室中被发现过，有些科学家甚至怀疑它是否存在，但也有些科学家毕生都在致力研究它。这个自然界最结实的绳子也许永远也不会被发现，但它已经有了自己的名字：弦。弦理论家认为，弦是物质最基本的组成成分。

弦很结实。一根和鞋带一样长、一样重的弦可以吊起珠穆朗玛峰。由于最艰巨的工程挑战需要最结实的材料，如果科学家希望在黑洞周围建造太空电梯，我最好的选择就是弦。

然而，弦仍处在“足够结实”的边缘。一根用弦制作的绳子，如果悬挂在黑洞上方并垂到黑洞表面的话，它的强度恰好可以维系自身的重量，没有余力再挂上电梯和货物。这样的绳子可以支撑它自身，但要以舍弃电梯轿厢为代价。这样的事实意味着，黑洞是无法开发利用的。自然本身的规律限制了我们的建筑材料，即使有一根绳子可以到达黑洞稠密的热大气，我们也无法高效地采集能源。

由于我们不能运动得比光快，就无法突破黑洞的事件视界。由于我们无法从燃料中获取多于mc2的能量，我们注定要将目光投向黑洞。但又由于绳子的强度不可能大于光速的平方乘以单位长度的质量，我们又无法充分获取黑洞的能量。

当太阳消失以后，我们将生活在永恒的冬天中。我们也许会注意到黑洞热大气中储藏的庞大能源，但获取这样的能源必须承担巨大的风险。如果过于急切或深入地向黑洞下手，非但不能从黑洞那里夺取辐射粒子，手里用来捞粒子的“箱子”反而会被黑洞夺走。

等待我们的，注定是个非常寒冷的冬天吗？

本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

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