风的利用与分配【黑洞的开发利用】

　　黑洞吞食包括光线在内的一切物质，如此可怕的怪物，人们避让惟恐不及，谁还敢接近它去开发和利用呢? 　　法国多才多艺的科学家约翰―皮尔・卢米涅在《黑洞》一书中说：“黑洞是一种奇怪的死亡恒星的残骸，一旦形成，就不再是‘死’的，而是注定有一个满是‘大吵大闹’的新生命。”确实，黑洞不是一堆令人毛骨悚然的毫无用处的骨骸。最令人恐怖的黑洞，有着最广泛的开发和利用价值。目前，科学家们已设想了许多利用黑洞巨大能量的办法。
　　
　　黑洞望远镜
　　
　　根据爱因斯坦的广义相对论，一个恒星或星系发出的光，经过另一个引力强大的天体时，光线会发生弯曲。如果从两个天体很远的正前方看去，在中间那个天体的周围，有日全食一样的光环，或形成后面那个天体的两个、甚至四个影像。这是由于中间那个引力强大的天体起着透镜作用(请读者思考这是什么道理)造成的，所以叫“引力透镜效应”。由于是爱因斯坦预言的，所以上述引力透镜效应又被称为“爱因斯坦环”和“爱因斯坦十字”。又由于它像海洋和沙漠上的“海市蜃楼”、“沙市蜃楼”幻景一样，所以又叫“万有引力幻景”或“宇宙蜃景”。哈勃空间望远镜曾经拍摄到80亿光年以外的一个类星体的四个影像。
　　我们知道，透镜效应是一种放大效应。天体的引力越大，经过它的光线弯曲越厉害，引力透镜效应也就越大。黑洞是引力最强大的天体，自然有最大的引力透镜效应。所以科学家们设想利用黑洞的透镜效应，建造威力强大的黑洞望远镜来探测宇宙。利用黑洞作望远镜的透镜，比利用恒星和星系作透镜还有一个优点，那就是黑洞不发光，可使观测目标的图像不受干扰而显得更清晰。
　　黑洞望远镜有着非常大的应用价值。如利用黑洞望远镜可以清查宇宙中星系的数目。目前，在科学家中，对宇宙中到底有多少星系看法不一，相差还很悬殊，下限是100亿个，上限达2000多亿个，这中间有说800亿个，有说1000多亿个，有说约2000亿个的。主要原因是目前的天文望远镜的威力有限，而许多星系距我们都非常遥远。如有的类星体与我们的距离在140亿光年以上。尽管它的中心发出最强烈的光芒，但由于距离太过遥远，到达地球后也已变得非常暗淡，使对他们的探测变得十分困难。由于黑洞望远镜可以极大地增强它们的光度，从而可以一一地对它们进行清点。
　　利用黑洞的透镜效应，还可估算出宇宙的大小。因为黑洞在宇宙中的分布是大致均匀的，黑洞的数目与宇宙的尺度成平方正比地增加。黑洞越多，出现黑洞引力透镜效应的几率越高。根据黑洞引力透镜效应出现的几率，就可推算出宇宙的大小。
　　推算出了宇宙的大小，进而可以推算出宇宙的年龄。因为宇宙的大小和年龄是紧密相关的，是一件事物的两个方面。根据大爆炸宇宙理论，宇宙是在大爆炸中一路膨胀而来的。根据目前河外星系远离我们而去的光谱红移，可以测出宇宙的膨胀速度。这样，根据宇宙的大小，就可很容易地推算出宇宙的年龄。
　　
　　黑洞激光器
　　
　　在中学的物理课本中我们已经学到，物质原子中绕原子核运动的电子，其在轨道上的能量是量子化的，即它的能量是一个基本单位的整数倍(即一个个“能量包”)。轨道较低的电子，能量较低。正常原子里的电子，总是趋向于占领较低的轨道。因此，如果因某种原因而处在高轨道(高能级)的电子，总会自发地发射一个光子而降低能级跳回到低轨道。
　　1916年，爱因斯坦发现受激激光的作用原理。如果一个原子被适当频率的电磁波照射，电子会因吸收能量而跳到高能级，照射的电磁波则以较低的能量继续传播。大多数电子占有高能级的原子，被称为处于激发态。处于激发态的原子，如果受到电磁波的照射，处在高能级的电子会放出能量而回到低能级，而照射的电磁波因吸收能量而加强。这就是激光。
　　科学家们发现，被照射的黑洞，可以部分地反射光线。同时，旋转的带电黑洞，被认为是静止的电中性黑洞的激发态。因此，俄罗斯物理学家雅可夫・泽尔多维奇在1971年提出，如果用一个适当频率和位相的电磁波或引力波照射一个旋转的带电黑洞，它就会把能量给予反射波，使反射波得到加强而成为激光发射出来。
　　激光是未来宇宙航行的候选动力之一。在宇宙飞船上设一张网帆，让激光作用在网帆上，就可使飞船加速前进。
　　激光也可能成为解决宇宙航行通信难题的一种途径。因为在漆黑的宇宙背景中，不强的激光束，在遥远星体附近的人看来，要比太阳光强700倍，强激光束的亮光信号能到达的距离，比无线电波信号能到达的距离要远得多。
　　黑洞的强激光还可转变为电能，成为用途广泛的动力能源。
　　
　　黑洞发电机
　　
　　我们知道，发电机是由转子和定子组成的，导电的转子在有磁性的定子中旋转，即导体切割磁力线，就可产生电流。法国天体物理学家T・达摩设想，在一个带电旋转黑洞周围设置一个磁场，由于黑洞的旋转，就可发出强大的电流来。当然，由于黑洞能量被提取，黑洞的旋转速度将逐渐减慢。
　　另外一些科学家还设想利用黑洞的引力能来发电。保尔・戴维斯在《宇宙的最后三分钟》一书中设想了一个理想实验，将一个重物用固定的滑轮装置悬挂在黑洞上方，系重物的绳索的另一端缠绕在发电机的转子上，重物受黑洞引力的吸引沿径向逐渐落向黑洞，带动转子旋转发电。重物越靠近黑洞，受到的引力越强，下落速度越快，动能增加。由于能量和质量等价，因而重物的质量增强，受到的引力增加，下落速度进一步增加，对发电机所做的功递增。根据爱因斯坦的能量公式E＝MC2，理论上重物的全部质量都可以变为能量。计算表明，对于一个质量1000克的重物来说，可以获得约100亿千瓦小时的电功率，这比1000克物质核聚变的能量大100倍以上。当然，由于重物不可能准确地沿径向落向黑洞，还有滑轮摩擦耗损能量等因素，实际上的电功率要比这小一些。
　　史蒂芬・霍金在《时间简史》一书中提到，微型黑洞也可用来发电。一个10亿吨初始质量的微型黑洞，大约以1万兆瓦的功率发射能量，如果将它拖到绕地球运行的轨道上，它可以开动10个大型发电站。
　　
　　建设黑洞城市
　　
　　黑洞的能量，除了与质量相联系的引力能和与电荷相联系的电能以外，还有与角动量相联系的转动能。英国著名物理学家罗杰・彭罗斯提出一种利用黑洞转动能的理论机制。这里请回忆一下黑洞的结构。旋转黑洞的最外边是静止界限，往里是视界(外视界和内视界)，静止界限与视界之间是能层(储能区)，中心是奇点(或奇异环)。彭罗斯设想，将一个物体逆着黑洞旋转的方向放入黑洞的能层(储能区)，这个物体在能层中被黑洞的潮汐力(前后的引力差)分裂为两部分，一部分被黑洞捕获落向黑洞中心，另一部分带着从黑洞吸收的能量被抛出黑洞，回收被抛出的部分，就可利用它从黑洞中获得的能量。
　　最早使用“黑洞”这个词的约翰・惠勒，在他与查尔斯・米斯勒和吉波・索恩合著的《引力》一书中，根据彭罗斯上述提取黑洞转动能的机制，提出了建设黑洞城市的浪漫设想。
　　黑洞城市建造在围绕黑洞旋转的轨道上，将城市的工业和生活垃圾收集起来，装在垃圾车中，让一辆辆垃圾车沿螺旋轨道进入黑洞能层，每辆垃圾车在到达设计好的抛射点时，将垃圾倒入反转轨道，被黑洞捕获而落入黑洞，吸收了黑洞转动能的空垃圾车则离开能层，由发电机转子回收。空车释放能量带动转子旋转发电，为城市提供维持运转所需的电能。每辆空垃圾车提供的能量，包括全部垃圾的质量能和黑洞损失掉的旋转能量。
　　目前，地球上的城市垃圾，是最令城市管理者和环保工作者头痛的问题。有人就会有垃圾，在未来的太空城市中，垃圾仍然会是关系太空环境和可持续发展的大问题。上述黑洞城市将垃圾换能源的设想，不仅为工农业和日常生活提供了能源，而且一劳永逸地处理了垃圾，是一个符合环保和可持续发展要求的创举。当然，黑洞会因损失能量而减慢旋转速度，不过这是一个非常缓慢的过程。
　　
　　替补太阳
　　
　　理论研究发现，微型黑洞有蒸发，即向外辐射能量。一个质量为1015的微型黑洞，可以蒸发100亿年，这与太阳的寿命相当。当然微型黑洞一般是在宇宙大爆炸初期形成的，这种质量的微型黑洞，到目前，其蒸发已到尾声。但是质量更大的微型黑洞，如直径5×10-4厘米，质量为月球千分之一(1023克)的微型黑洞能在1034年(100亿亿亿亿年)中辐射几千度高温的光线，如果在太阳衰老时把这样一个黑洞推近地球，它就可以接替太阳为地球提供稳定的能源。
　　当然，还有一个重要问题必须考虑，就是微型黑洞的辐射会不会对人类和其它生命造成伤害。理论研究发现，黑洞蒸发向外辐射的粒子，17%是光子，81%是对生命没有伤害的中微子，只有2%是重粒子，由于量很少，这种辐射对生命的损害是微乎其微的，微型黑洞是合格的太阳替补者。
　　黑洞还有其它许多可利用的价值。如黑洞可能是虫洞的入口，虫洞的出口则是白洞。而虫洞又是连接同一宇宙两个遥远区域的捷径通道，甚至是连接另一个宇宙的捷径通道。因此，从黑洞进去，从白洞出来，就可瞬间到达遥远的地方甚至别的宇宙去旋行。还可利用黑洞，虫洞和白洞建造一部时间机器，回到过去的时间去旅行。但这些有过多的幻想。白洞迄今仍然是数学推导的产物，虫洞也很虚无飘渺。另外，即使它们存在，能容许飞船安全通过吗?黑洞有巨大的引力，进入黑洞的飞船，其前后部分的引力差，将使飞船连同飞船中的一切不断地一分为二，直到变成基本粒子为止。据说虫洞稍受振动就会收缩，那也会将通过黑洞后的飞船挤得粉碎。还有其它种种不定因素，我们还是把它留在科幻题材中更合适。（巨尤）★
　　下期我们介绍行星和生命。