袁岚峰：可控核聚变？在黑洞面前也是弟能量…… |2019-07-30

这一期当中，袁老师进一步为我们揭示了黑洞一些不被大家熟悉的特性。比如，大家说起黑洞就会联想到“吞噬”，于是很容易把黑洞等同于毁灭的概念。但事实上，黑洞是一种极为高效的能源！黑洞可以提供的能量大到什么程度？人类现在苦苦研究的可控核聚变，已经是地球上能量转化率最高的方式，可以转化质量0.7%的能量；而黑洞能够转化40%！而且这还不是黑洞所能释放的全部。所以袁业飞老师也说了，我们在宇宙中观测到的大部分辐射、能源都应该来自于黑洞！这样就出现了一个有趣的结论：“照亮”宇宙的其实就是黑洞！当然，人类仍旧迫切需要可控核聚变，因为你连“冲出地球，移民宇宙”的目标都实现不了的话，就不要还想着用上黑洞能量了……

很长时间以来，普通人对黑洞的认知可能停留在一种感觉新奇有趣的阶段，但随着科学家对一种新事物了解得越深入，就会发现越多对我们有着重大意义的知识，而这种收获大部分是没法预料的。正如袁业飞老师所说，如果人类是只考虑眼前的物种，那么我们当然不需要去研究什么黑洞，因为可能还要过很久，人类才可以真正接触到与黑洞有关的实际问题；但幸而，人类是会不断向前探索并且渴望了解自己未来的物种，所以我们才能从地球生物当中脱颖而出，然后进一步飞向宇宙。因此，我们才会望向星辰，去思考太阳、银河和黑洞这些看似遥不可及，却映证着我们生而为人价值的远大目标。

袁亚飞：

Ruffini教授给我们分享了一下他发明黑洞这个词的一个简史。我简单地总结一下，爱因斯坦的广义相对论是1915年发表的，1915年爱因斯坦发表了爱因斯坦场方程，1916年史瓦西就得到了这个场方程的一个数学解。之后很长一段时间都没有人继续在这个方向做研究。一直到了60年代，人们才研究清楚了这个解的时空性质，但是到此为止，大家并没有把它当做一个可能的这样一个天体，只是从数学角度来说，在研究这样一个解的性质。往期Ruffini他已经介绍了就是说从1971年开始，他和他的博士后导师Wheeler教授一道提出了黑洞的概念，也就是说黑洞有可能是我们宇宙当中存在的一个真实的天体，而且我们可以从黑洞提取能源，能够解释我们的高能的天文现象。

袁岚峰：

黑洞一下子从一个数学游戏变成一个真实的天体，而且可能有很大的潜在的应用前景。

袁亚飞：

那么研究黑洞的意义在什么地方，首先黑洞是一个宇宙里面非常奇特的一个天体，它奇特在什么地方，它有一个视界，所有的物质落到黑洞视界里面就出不来了。

袁岚峰：

是，连香港记者都跑不出去。

袁亚飞：

黑洞的另外一个重要的意义就是说，牛顿力学和广义相对论最大的区别，是在强引力场的情况下，也就是说在太阳系里面，你用牛顿力学和广义相对论讨论问题，它们的差别是微乎其微的。虽然我们从精密的实验可以把它区分开来。

袁岚峰：

像水星近日点进动这样的极少数的例子。

袁亚飞：

但是不管怎么说，在太阳系里面，这个时空弯曲是非常小的，广义相对论和牛顿力学最大的区别是，我能够预言有强引力场存在的地方，如果你要研究强引力场下的物理现象物理过程，那你要找一个强引力场的实验室。

袁岚峰：

是，这就是一个例子。

袁亚飞：

那黑洞就是一个研究强引力场物理的一个实验室。

袁岚峰：

广义相对论的前50年，大家都主要是做了一些“定量”的预测，从他那个时代开始，大家才开始关心那些真正“定性”的区别。

袁亚飞：

就是我真正的把这个黑洞当成一个宇宙里面可能存在的天体在认真地研究，用黑洞来解释理解物理宇宙中存在的天文现象。

袁岚峰：

自从黑洞这个概念出现之后，人们就发现这个黑洞其实普遍存在于宇宙很多地方，比方说每个星系的中心似乎都应该有个巨型的黑洞是吧。

袁亚飞：

而且我们的每个星系里面应该有上百万甚至上千万的和太阳质量同量级的黑洞，那么也就是黑洞在宇宙里面是普遍存在的。还有一个很重要的意义是，黑洞其实是我们宇宙里面绝大部分能量的来源。我们在地球上面绝大部分能源其实来自于太阳的热核聚变，那么我们现在发现用热核聚变作为能源来解释我们宇宙里面的大多数的辐射能源是不够的。

袁岚峰：

哦，这是一般人没有想到的，我们只会把黑洞当成一个吞噬一切的这么一个物体，没想到它还是个能源。

袁亚飞：

对，它吞噬的过程当中它会释放引力能，这个释放引力能的产能的效率是我们热核反应产能率的十倍，甚至于一百倍左右。

袁岚峰：

我头一次听到这个之后确实非常惊讶，因为我们的口号我们整天喊道，我们要发展可控核聚变，飞出地球移民宇宙。然后忽然发现，哎呦，原来这还有一个比可控核聚变还要更强的一个能源，就是黑洞向外的喷流。

袁亚飞：

黑洞提供了一个很深的引力势阱，物体一旦落到这个很深的引力势阱释放引力能，它的产能率要远大于我们的热核聚变产生的能量。

袁岚峰：

可以给大家一些定量的数据，就是根据爱因斯坦质能方程质量是可以转换成能量的，我们平时用的化学反应其实只有非常非常小几乎可以忽略不计的质量转化成能量。然后核聚变是我们平时可以用到的所有的过程当中转化率最高的。比方说一个氘加上氚转化成氦，这个过程大概有0.7%的质量转化成能量，这已经是非常高了。但是结果黑洞喷流，它的能量转化率可以达到40%，我第一次听到这样一个数字的时候，简直惊呆了。

袁亚飞：

而且这个40%的能量只是来自于黑洞的转动能，也就是说我不需要任何物质的，只是因为黑洞转慢了，它释放的能量能够达到40%。黑洞是个非常简单的天体，它又能够释放大量的能量。而我们现在的天文观测也的确证明，我们宇宙里面绝大部分的辐射能源应该来自于黑洞。

袁岚峰：

黑洞是驱动我们宇宙演化最强大的一个能源。

袁亚飞：

也就是黑洞照亮了宇宙。

袁岚峰：

这个听起来很具有哲学范儿，一个最黑的东西照亮了这个宇宙。

袁亚飞：

对，还有另外一方面就是说我们现在的研究表明，几乎每个星系中心都有一个甚至两个三个超大质量黑洞。黑洞的存在，它又会影响整个星系的演化，星系的演化和黑洞的增长吞噬物质的增长，它们两个是相互调制的。我们太阳系在银河系里面，原则上黑洞是会影响我们太阳系的演化，它和我们的生活其实是相关的。如果你在一个很大的时间尺度上来看的话，其实黑洞是影响人类的。

袁岚峰：

很多人对黑洞的理解就是它只进不出，它永远都只会吞噬，不会吐出来任何东西，这种结果岂不是整个宇宙都会被黑洞吞噬吗？

袁亚飞：

这个不用担心，因为物质要被黑洞吞噬的话，你的角动量比较小，你几乎是自由落体到黑洞里面去的，但是实际上情况并不是这样。比方说太阳系，它是围绕我们银河系中心在做轨道运动的，除非你让太阳系刹车，但是我们缺少这样一种机制，你说的是所有物质都刹车的情况下发生的事情。

袁岚峰：

我们既然说到黑洞是宇宙当中最强能源，那么我们怎么才能利用这种能源呢？

袁亚飞：

黑洞释放能源它有两个渠道，一个是它的引力能，就像从高楼上面扔一个石子到地面，它会把引力势能释放变成粒子的动能，动能粒子之间相互碰撞的话，会变成热能释放出来，这是释放能量的一个渠道，就是释放引力能。另外，黑洞它有可能是自转的，转动黑洞之间有一个所谓的能层，一个粒子，假设它落到这个能层里面去，一分为二，有一个粒子它的能量会变成负能量的，另外一个粒子的能量就会比原来入射的粒子的能量还要大，能量更大的那个粒子如果跑出能层到我们宇宙里面去的话，它的能量就更高。

袁岚峰：

相当于从黑洞拿到了能量。

袁亚飞：

能量总是守恒的，那这个能量从哪地方来的呢？实际上在能层里面存在负能态的粒子，它和黑洞是反转的，它必须是反转的，那么它落到黑洞里面去的话，因为转动角动量守恒，这个黑洞就会转得慢一点。我们从初态和末态的效果来看的话，初态就是入射一个粒子能量，末态就是出来一个更高能量的粒子和转得更慢的黑洞。从黑洞提取能量的根源，实际上是提取的黑洞的转动能。

袁岚峰：

最终效果就是你掠过了黑洞，然后你飞得更快了然后黑洞转得慢了一点。我记得我小时候印象特深的有一部科幻小说，是郑文光的叫做《飞向人马座》，里面一个最核心的情节，我印象最深的就是这样，他们是驾驶一架已经没有燃料的失去动力的飞船，然后飞出太阳系，然后碰到一个黑洞，说这完蛋了。结果他们想了个办法，就是用剩下那一点点的火箭燃料，做一个加速，用黑洞给他们加速，然后绕回来了，他们又飞回了太阳系。这是整个故事里面最激动人心的一个情节。

袁亚飞：

这个物理基础就是从黑洞提取了转动能。

袁岚峰：

是，所以我非常高兴，过了这么多年之后，终于听袁业飞老师介绍，终于知道了这个机制。真希望如果有一天这个能够拍成电影，应该是非常exciting的。那么您从事天文学的研究和教育这么多年，您最大的感受是什么。

袁亚飞：

我觉得最早从很多科普书里面，我了解到了我们身上，比方说铁是来自于超新星爆炸，这对我来说就是一个震撼。

袁岚峰：

是，在这个意义上，我们所有人都是恒星的孩子，没有上一代的恒星就不可能有重元素，就不可有新的生命。

袁亚飞：

对，我觉得学天文给我最大的感触就是我的视野更开阔，我放在一个宇宙的角度来思考人类地球在宇宙中的地位。

袁岚峰：

是的。

袁亚飞：

比方说我们从时间的尺度来说，我们宇宙有136亿年，和我们的人的寿命比是很长的，这是从时间的跨度。从空间的跨度来说，我们的宇宙也是至少是大于136亿光年，这么大的这样一个尺度。从温度的角度来说，从能量的角度来说，我们地球上的温度都在零度附近，因为生命需要水，但是在我们宇宙里面有极端低温的，也有极端高温的。另外，我们宇宙里面充满了各种各样的极端的物理条件，比方说我们科学岛上有强磁场装置，这个强磁场装置在我们天文领域其实算不上强磁场，因为它只有几个特斯拉。

袁岚峰：

没错。

袁亚飞：

我们在中子星表面可以达到10的11次方特斯拉。

袁岚峰：

天哪，真是无法想象。

袁亚飞：

还有我们谈到的黑洞，我们在地球上是一个引力，也是在地球的引力场里面，我们也在地球的引力场里面活动，但是这个引力是非常弱的，也就说这个引力非常弱的意思，也就是这个时空弯曲是非常小的，而我们拍到的黑洞周围的时空弯曲是非常大的。随着我们对宇宙规律认识的深入，随着我们在宇宙中的活动范围越来越大，实际上我们不可避免地要用到我们的天文知识。

袁岚峰：

是，如果我们不在乎人类在宇宙当中是什么地位倒也罢了，懵懵懂懂过了一生倒也罢了。

袁亚飞：

或者你安于现状，你也不想让地球流浪，那你就不需要这些知识，那你就等着50亿年以后自生自灭。

袁岚峰：

嗯是的。没错。如果我们还想作为一个有主观能动性的智慧生命的话，我们就应该做点什么，我们就应该去认识这个世界。

袁亚飞：

我们要在一个很长的时间尺度里面来居安思危，来思考这样一个事情。那么你就会在意太阳的寿命，你会在意地球在银河系里的位置，你就会在意银河系里有没有黑洞，宇宙里面有没有黑洞。我们可以从另外一个角度说，如果人类还依然活动在树上的时候，那么我们并不关心地球是绕着太阳转还是太阳绕着地球转，但是作为一个智慧生物，我们不能不了解地球在宇宙中的位置，我们不能不了解宇宙的演化，不能不了解宇宙中存在超大质量的黑洞。

袁岚峰：

是的，所以这些问题并不是离我们遥不可及或者只是一个茶余饭后的谈资，实际上是跟我们生死攸关，真正具有最核心重要性的问题，我们应该有这种世界观。

袁亚飞：

黑洞存在包括其他的宇宙里面的天体的存在，物理规律的存在，它是个客观事实，我们人类就是要了解这些客观事实、客观规律，为我们所用。当然了，你要用这些规律可能需要一个很长的时间。

看到这里的观众，有份惊喜要送给你！有请Remo Ruffini教授返场！

（Remo Ruffini，“黑洞”概念发明者，国际相对论天体物理中心主任）

人们出于政治原因不愿意去苏联。1969年，有一场会议在第比利斯举行，他们说服了惠勒让我们去参加，这是惠勒和我第一次去苏联，一切充满了冒险性。

即便在前往苏联的飞机上，都发生了一段故事。那架飞机上，外国人的座位旁是没有窗户的，登上飞机之后，他们让我坐到前面去，我告诉他们，我和我的美国朋友在一起，我们一起往商务舱走去。当我们走到前面时发现，那里的座位没有窗户，看不到外面。我佷恼火，但在我和我的美国朋友库马尔之间，还坐着一个人。起飞两小时后，飞机忽然急速下降，我们都很害怕，因为飞机遇上了风暴，飞机遭遇迫降，第二天再继续飞行。乘客被告知，要在一个小机场里过夜。

我们走下飞机，那位坐在我们中间的男士，一个人坐在机场里。我走近他，我说，我是鲁菲尼，意大利人。他说，我是萨哈罗夫，苏联人。他就是萨哈罗夫，那个坐在我们中间的人，这是我和萨哈罗夫的第一次会面，自此开启了这么多年的友谊。