撰文 | 王昱审校 | 二七
我们距离I型文明并不遥远，可能只差300多年。按照当前的趋势来看，人类文明能耗提高2～3个数量级的重要原因，可能是AI的爆发。AI太费电了，它吃掉的电越来越多，人类都快养不起了。万一有一天AI真的能觉醒自我意识，绑架人类，说不定就是为了获取更多能源。
不过，既然AI都沦落到向人类要电力了，那常规能源形式恐怕都已经不能满足它们的需求了，我们可能不得不从科幻设定中寻找灵感。你可能很快就会想到，或许我们可以用太阳能板把恒星包起来，组成一个戴森球。但戴森球已经是科幻作品中的常客了，AI肯定也知道，用不着绑架人类，它们自己就能干。我们需要找到一些更新颖，在AI数据集中权重更低的想法。而有一个大胆的想法符合这个需求——从黑洞中提取能量。
蒸发黑洞
黑洞的引力太强，任何坠入其中的物质都无法离开，它连光都能吞噬。不过，黑洞也不是只进不出。这是因为真空并不完全是“空”的，看似真空的空间实际上会不停产生虚粒子对。而如果在黑洞边界——事件视界——的两侧产生这样的效应，就可能只会有一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子则有机会逃离黑洞。物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）预言黑洞会通过这样的过程产生辐射，所以该效应也被称为霍金辐射。
霍金辐射会让黑洞向外辐射能量，而能量就是质量，黑洞的质量也会因为霍金辐射缓慢下降，直到消失。不过，我们不太可能通过黑洞霍金辐射获取能量，因为效率太低了。黑洞通过霍金辐射蒸发殆尽的时间和它质量的三次方成正比。要使一个质量相当于太阳的黑洞完全蒸发掉，需要的时间无比漫长，是现今宇宙年龄的10⁵⁷倍。一个质量与太阳相等的黑洞，发出的辐射相当于温度低至60纳开尔文的黑体——20世纪80年代以前，人类甚至无法制造出这样低能的环境。总之，用霍金辐射发电是不现实的。
不过，霍金辐射的产生机制决定了，黑洞周围或许还有寻找能源的机会。在黑洞事件视界两侧生成的粒子对中，有机会逃离黑洞的那个粒子，也并不一定能逃离黑洞，它有很大的概率在绕黑洞运转一阵后，又被黑洞吸进去。而在绕黑洞运转的过程中，粒子的速度被黑洞的引力加速到极快，在黑洞事件视界外侧产生一层“高能大气”。如果能把它们打捞出来，便能从其中提取能量。如果这些“高能大气”全都被打捞出来，那么黑洞蒸发的时间，将从质量的三次方，降低到质量的一次方——鉴于黑洞庞大的质量，这意味着海量的能量。
可惜，这种方法也行不通。因为我们需要一根绳子，把装有“高能大气”的容器从黑洞边缘拉出来，但物理法则容不下能和黑洞引力抗衡的绳子。
图片来源：《环球科学》2015年3月刊《从黑洞提取能量》
绳子越结实，意味着使它伸长需要消耗更多的能量。这个能量一定存在一个上限，就是绳子质量本身对应的能量E=mc²（相当于在原本的绳子后面凭能量生成了一段新的绳子）。所以，不论绳子的材质是钛合金、碳纤维，还是瓦坎达振金、强相互作用材料，绳子的张力永远不可能超过单位长度的绳子质量乘以光速的平方。而这个张力水平，在黑洞事件视界旁，仅仅能维持本身不被黑洞吸入罢了，一旦想在黑洞边缘拉点什么东西出来，绳子马上就会断裂，连着“高能大气”一起坠入黑洞。
引力拖拽
不过，其实完全没必要到事件视界这么危险的地方提取能量。早在1969年，霍金辐射被提出之前，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就提出，理论上，只要将垃圾丢入黑洞，就能从中提取能量。
具体设想是这样的：让一艘装满废料的飞船飞到黑洞附近，接近黑洞附近时空高度扭曲的区域，这也被称为能层（Ergosphere）。让飞船在其中朝黑洞倾倒废料，废料会被黑洞吞噬，而飞船则会获得动能。所以黑洞的能层不愧叫“能层”，只要在其中朝黑洞丢垃圾，就能蹭到黑洞的能量。
利用黑洞，将废料转换成能量的过程。图片来源：Atomic Rockets, adapted from Misner, Thorne and Wheeler
不过，用物理上的飞船蹭黑洞的能量，并不是高效的选择。制造这样的飞船也注定会面临着数不清的工程难题。幸运的事，我们可以用电磁波替代飞船，并且效率高得多。彭罗斯曾提出如果朝旋转黑洞射出一束光，由于参考系拖拽（Frame Dragging）效应，部分光会被放大——至少理论上是这样，因为彭罗斯在论证的过程中，涉及到了一些负能量、负频率、超光速旋转的计算。不得不怀疑这样的结论是否可靠。
不过好在1971年，前苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）证明，就算不是黑洞，单纯的旋转圆柱体也能放大入射的电磁波，并且圆柱体也不需要超光速旋转，只需要旋转的频率超过入射电磁波的频率就可以实现。这一效应被称为泽尔多维奇效应（Zeldovich effect），这一结论当然也适用于黑洞。
2020年，一篇发表在《自然·物理学》（Nature Physics）的论文用声波代替电磁波证明了泽尔多维奇效应——旋转物体可以放大声波。但是，声波和电磁波有着本质的区别，想要从黑洞附近提取能量，最高效的选择仍然是电磁波。而且就算泽尔多维奇效应真的存在，那能否在实验室中证明也是个问题，因为电磁波频率一般都很高，对物体转速的要求太高。
不过实验团队并没有放弃，4年后，同一个科研团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表论文，他们成功观测到了旋转物体对电磁波的放大作用。他们用LC振荡电路实现了低频的电磁波，并在电路中放置了一个快速旋转的铝圆柱体。当铝圆柱体旋转速度超过振荡电路的频率时，振荡电路的磁场会被放大。铝不具备磁性，所以磁场的放大并不是某种发电机效应的结果，旋转物体真的可以放大电磁波。
用旋转铝圆柱放大电磁波的实验示意图，可以用相同的原理从黑洞提取能量。图片来源：Braidotti, et al
所以，只要将结论稍稍扩展一下，我们也能用同样的办法，从黑洞中提取能量。这种基于参考系拖拽的能量提取方式比霍金辐射高效得多，实际上，自旋黑洞的参考系拖拽效应可以影响周围恒星的轨道——2020年一篇发表于《天体物理学报通讯》（The Astrophysical Journal Letters）的论文还通过银心黑洞周围恒星的轨道推测过它的自旋。
黑洞参考系拖拽的能量足以影响恒星的轨道，而我们又能通过电磁波高效的提取这种能量。这下，吞噬一切的黑洞，似乎又成了无尽的能量源泉。
好了，核聚变已经过时了，让我们看看远方的黑洞吧，那应该是一种更好的能源……
参考链接：
https://www.universetoday.com/168666/researchers-mimic-extracting-energy-from-black-holes-in-the-lab/
《从黑洞提取能量》《环球科学》2015年3月刊
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49689-w
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0944-3
https://briankoberlein.com/blog/taken-for-a-spin/#fnref:1
https://www.universetoday.com/85401/gravity-probe-b-confirms-two-of-einsteins-space-time-theories/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abb9b4
撰文 | 王昱审校 | 二七
我们距离I型文明并不遥远，可能只差300多年。按照当前的趋势来看，人类文明能耗提高2～3个数量级的重要原因，可能是AI的爆发。AI太费电了，它吃掉的电越来越多，人类都快养不起了。万一有一天AI真的能觉醒自我意识，绑架人类，说不定就是为了获取更多能源。
不过，既然AI都沦落到向人类要电力了，那常规能源形式恐怕都已经不能满足它们的需求了，我们可能不得不从科幻设定中寻找灵感。你可能很快就会想到，或许我们可以用太阳能板把恒星包起来，组成一个戴森球。但戴森球已经是科幻作品中的常客了，AI肯定也知道，用不着绑架人类，它们自己就能干。我们需要找到一些更新颖，在AI数据集中权重更低的想法。而有一个大胆的想法符合这个需求——从黑洞中提取能量。
蒸发黑洞
黑洞的引力太强，任何坠入其中的物质都无法离开，它连光都能吞噬。不过，黑洞也不是只进不出。这是因为真空并不完全是“空”的，看似真空的空间实际上会不停产生虚粒子对。而如果在黑洞边界——事件视界——的两侧产生这样的效应，就可能只会有一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子则有机会逃离黑洞。物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）预言黑洞会通过这样的过程产生辐射，所以该效应也被称为霍金辐射。
霍金辐射会让黑洞向外辐射能量，而能量就是质量，黑洞的质量也会因为霍金辐射缓慢下降，直到消失。不过，我们不太可能通过黑洞霍金辐射获取能量，因为效率太低了。黑洞通过霍金辐射蒸发殆尽的时间和它质量的三次方成正比。要使一个质量相当于太阳的黑洞完全蒸发掉，需要的时间无比漫长，是现今宇宙年龄的10⁵⁷倍。一个质量与太阳相等的黑洞，发出的辐射相当于温度低至60纳开尔文的黑体——20世纪80年代以前，人类甚至无法制造出这样低能的环境。总之，用霍金辐射发电是不现实的。
不过，霍金辐射的产生机制决定了，黑洞周围或许还有寻找能源的机会。在黑洞事件视界两侧生成的粒子对中，有机会逃离黑洞的那个粒子，也并不一定能逃离黑洞，它有很大的概率在绕黑洞运转一阵后，又被黑洞吸进去。而在绕黑洞运转的过程中，粒子的速度被黑洞的引力加速到极快，在黑洞事件视界外侧产生一层“高能大气”。如果能把它们打捞出来，便能从其中提取能量。如果这些“高能大气”全都被打捞出来，那么黑洞蒸发的时间，将从质量的三次方，降低到质量的一次方——鉴于黑洞庞大的质量，这意味着海量的能量。
可惜，这种方法也行不通。因为我们需要一根绳子，把装有“高能大气”的容器从黑洞边缘拉出来，但物理法则容不下能和黑洞引力抗衡的绳子。
图片来源：《环球科学》2015年3月刊《从黑洞提取能量》
绳子越结实，意味着使它伸长需要消耗更多的能量。这个能量一定存在一个上限，就是绳子质量本身对应的能量E=mc²（相当于在原本的绳子后面凭能量生成了一段新的绳子）。所以，不论绳子的材质是钛合金、碳纤维，还是瓦坎达振金、强相互作用材料，绳子的张力永远不可能超过单位长度的绳子质量乘以光速的平方。而这个张力水平，在黑洞事件视界旁，仅仅能维持本身不被黑洞吸入罢了，一旦想在黑洞边缘拉点什么东西出来，绳子马上就会断裂，连着“高能大气”一起坠入黑洞。
引力拖拽
不过，其实完全没必要到事件视界这么危险的地方提取能量。早在1969年，霍金辐射被提出之前，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就提出，理论上，只要将垃圾丢入黑洞，就能从中提取能量。
具体设想是这样的：让一艘装满废料的飞船飞到黑洞附近，接近黑洞附近时空高度扭曲的区域，这也被称为能层（Ergosphere）。让飞船在其中朝黑洞倾倒废料，废料会被黑洞吞噬，而飞船则会获得动能。所以黑洞的能层不愧叫“能层”，只要在其中朝黑洞丢垃圾，就能蹭到黑洞的能量。
利用黑洞，将废料转换成能量的过程。图片来源：Atomic Rockets, adapted from Misner, Thorne and Wheeler
不过，用物理上的飞船蹭黑洞的能量，并不是高效的选择。制造这样的飞船也注定会面临着数不清的工程难题。幸运的事，我们可以用电磁波替代飞船，并且效率高得多。彭罗斯曾提出如果朝旋转黑洞射出一束光，由于参考系拖拽（Frame Dragging）效应，部分光会被放大——至少理论上是这样，因为彭罗斯在论证的过程中，涉及到了一些负能量、负频率、超光速旋转的计算。不得不怀疑这样的结论是否可靠。
不过好在1971年，前苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）证明，就算不是黑洞，单纯的旋转圆柱体也能放大入射的电磁波，并且圆柱体也不需要超光速旋转，只需要旋转的频率超过入射电磁波的频率就可以实现。这一效应被称为泽尔多维奇效应（Zeldovich effect），这一结论当然也适用于黑洞。
2020年，一篇发表在《自然·物理学》（Nature Physics）的论文用声波代替电磁波证明了泽尔多维奇效应——旋转物体可以放大声波。但是，声波和电磁波有着本质的区别，想要从黑洞附近提取能量，最高效的选择仍然是电磁波。而且就算泽尔多维奇效应真的存在，那能否在实验室中证明也是个问题，因为电磁波频率一般都很高，对物体转速的要求太高。
不过实验团队并没有放弃，4年后，同一个科研团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表论文，他们成功观测到了旋转物体对电磁波的放大作用。他们用LC振荡电路实现了低频的电磁波，并在电路中放置了一个快速旋转的铝圆柱体。当铝圆柱体旋转速度超过振荡电路的频率时，振荡电路的磁场会被放大。铝不具备磁性，所以磁场的放大并不是某种发电机效应的结果，旋转物体真的可以放大电磁波。
用旋转铝圆柱放大电磁波的实验示意图，可以用相同的原理从黑洞提取能量。图片来源：Braidotti, et al
所以，只要将结论稍稍扩展一下，我们也能用同样的办法，从黑洞中提取能量。这种基于参考系拖拽的能量提取方式比霍金辐射高效得多，实际上，自旋黑洞的参考系拖拽效应可以影响周围恒星的轨道——2020年一篇发表于《天体物理学报通讯》（The Astrophysical Journal Letters）的论文还通过银心黑洞周围恒星的轨道推测过它的自旋。
黑洞参考系拖拽的能量足以影响恒星的轨道，而我们又能通过电磁波高效的提取这种能量。这下，吞噬一切的黑洞，似乎又成了无尽的能量源泉。
好了，核聚变已经过时了，让我们看看远方的黑洞吧，那应该是一种更好的能源……
参考链接：
https://www.universetoday.com/168666/researchers-mimic-extracting-energy-from-black-holes-in-the-lab/
《从黑洞提取能量》《环球科学》2015年3月刊
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49689-w
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0944-3
https://briankoberlein.com/blog/taken-for-a-spin/#fnref:1
https://www.universetoday.com/85401/gravity-probe-b-confirms-two-of-einsteins-space-time-theories/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abb9b4