先进文明利用黑洞作为能源？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-09 10:05

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1971年，英国数学物理学家、诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯提出了一种从旋转黑洞中提取能量的方法。他认为，可以通过在黑洞的吸积盘周围建造一个装置来实现这一点。在吸积盘中，向内落入的物质会被加速到接近光速，从而在多个波长上释放出能量。

自那以来，许多研究人员提出，先进文明可以利用这种方法（彭罗斯过程）为其文明提供动力，并认为这可能是一种我们应该寻找的技术标志。例如，约翰·M·斯马特的“超越假说”就是一个例子。他提出这一假说来解释费米悖论（译者注：宇宙中应当存在大量外星文明，但为何我们没有观测到）——认为先进的文明可能会迁移到黑洞周围的区域，以利用那里的可用能量。

旋转且带电黑洞的光线追踪阴影图片来源：Simon Tyran, CC BY-SA 4.0

最新的例子来自哈佛大学教授阿维·勒布，他在最近的一篇论文中提出了先进文明如何依靠“黑洞月球”为其母星无限地提供能量。他认为，这种黑洞照亮其所环绕行星的方式将构成未来地外文明搜寻计划中的一种潜在技术标志。勒布教授是哈佛大学的弗兰克·B·贝尔德二世科学教授，同时担任哈佛-史密松天体物理中心（CfA）理论与计算研究所的主任、黑洞倡议（BHI）的创始主任以及伽利略项目的负责人。他的最新论文《黑洞月球照亮行星作为技术标志》最近发表在美国天文学会研究简报上。

1975年，斯蒂芬·霍金提出理论认为黑洞会发射光子、中微子和一些较大的粒子——这些现象后来被称为“霍金辐射”。自那时起，利用黑洞作为能源的提议通常分为两大类。一种是利用黑洞吸积盘的角动量（即“彭罗斯过程”），或捕捉由其高速喷流产生的热量和能量（可能以戴森球的形式）。另一种则是将物质投喂给黑洞，并利用由此产生的霍金辐射来获取能量。

在他的论文中，勒布提出了关于一种高级文明可以通过上述第二种方式来获取能量的设想，即设计一个环绕其母星运行的黑洞。这个黑洞将非常小，质量仅为十万吨。如果不加以控制，这个黑洞将在一年半内通过霍金辐射蒸发消失掉。但正如勒布通过电子邮件告诉《宇宙今日》的那样，它可以通过每秒吸积相对少量的物质来维持。作为交换，它将提供源源不断的能量供应：“这个黑洞系统是我所想到的最有效的引擎。燃料以100%的完美效率转化为能量，因为落入黑洞的质量最终会以霍金辐射的形式释放出来。我之前没有看到过这个想法的相关讨论，当我几周前意识到这一点时，我有了一个‘尤里卡时刻’。唯一能够以100%效率将质量转化为辐射的其他方法是物质-反物质湮灭。”

正如勒布所指出的，我们所需的反物质数量超出了人类目前的创造能力。自1995年以来，欧洲核子研究中心（CERN）的粒子加速器已经产生了不到10纳克的反物质，这可以为一个60瓦的灯泡提供四小时的能量。相比之下，勒布提议的质量为十万吨的黑洞可以持续提供40 quadrillion（40×10¹⁵）瓦的能量。“全球能源使用量为几个太瓦（译者注：1太瓦=10¹²瓦），比这个黑洞的能源供应少了一万倍。”勒布补充道，“这个黑洞引擎的另一个优势是它可以使用任何形式的物质作为燃料，可以是垃圾。没有比将垃圾以100%的效率转化为清洁能源更好的回收方式了。”

黑洞可以将任何形式的物质作为燃料，包括文明产生的任何废物。在这方面，黑洞引擎不仅能为高级文明提供取之不尽的能量，还能解决其垃圾问题。全球范围内，人类每年产生大约19.2亿吨的废弃物，这对我们的环境造成了严重影响。这些废弃物足以为一个质量为十万吨的黑洞引擎提供超过4.37亿年的燃料。

关于如何实现这样的壮举，勒布提到了他之前的一篇专栏文章，文章中他推测一个足够先进的文明可以通过量子隧穿创造一个“婴儿宇宙”。虽然这种壮举只有三级文明（或更高级）才能实现，但黑洞引擎则要简单得多，或许二级文明就能够制造出来。

黑洞蒸发引擎想象图

“这是一个重大挑战。好消息是，制造这样一个黑洞要比制造婴儿宇宙容易得多。但是，任何生产质量为十万吨的黑洞的生产线都需要将物质或辐射压缩到比固态铁的密度高60个数量级的质量密度。原子核或中子星的密度仅高出15个数量级。在宇宙大爆炸后一飞秒内的宇宙辐射密度下，这种密度曾是可能实现的。”这是勒布最近撰写的另一篇论文的主题，他在论文中论证了基于广义相对论，黑洞可以由光构成。这种可能的黑洞引擎最有趣的地方在于，即使在很多光年之外它也能被探测发现，从而成为一个可行的技术特征，暗示高级文明的存在。

像许多潜在的技术标志一样，特别是戴森球和其他宏大结构，黑洞引擎的存在仍然是猜测和理论性的。但正如弗里曼·戴森曾经提到的，无论我们能想到什么，如果物理学上是合理的，一个足够先进的文明可能已经实现了这一点。

勒布表示：“黑洞引擎可能被发现为一个流浪的岩质行星，它被一个发出伽马射线的月亮照亮，而这个月亮没有恒星质量的伴星。如果我们发现了这种引擎的证据，我们需要考虑这种来源可能是由一个高度先进的技术文明创造或捕获的原初黑洞。没有比通过创造一个迷你黑洞的时空曲率熔炉更能标志技术创新的了。”

翻译：刘海牧

美编：周英杰

文章来源：

Professor proposes how a black hole in orbit around a planet could be a sign of an advanced civilization (phys.org)

来源：牧夫天文

编辑：悦悦

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