文 / 高 峰
在地球能源日益匮乏的今天,科学家在考虑能否利用黑洞内所蕴藏的巨大能量来造福人类,即利用黑洞来发电。
黑洞,是巨大恒星在其后期内爆、塌缩后形成的一种天体。由于黑洞的密度极大,于是在其周围形成了巨大的重力场,物质被吸入黑洞后,都无法逃遁,即使光也不例外,“黑洞”由此得名。迄今为止,虽然天文学家还没有具体指出黑洞位于何处,但黑洞的存在是毋庸置疑的。
利用黑洞发电,源于人类的奇思妙想,却不是不可能实现的事。首先,让我们先了解一下发电机的原理。发电机由转子和定子组成,导电的转子在磁性的定子中旋转,即导体切割磁场的磁力线,就可产生电流。在地球上,火力发电用煤或汽油燃烧将水变成蒸汽,水力发电用水流的冲击力来带动转子转动。那么在太空中,怎样制造出一台黑洞发电机呢?
法国天体物理学家T·达摩指出,旋转黑洞可成为发电机的转子,因为黑洞是一个有一定电阻的电导体。如果在一个旋转黑洞的周围设置一个磁场,由于黑洞旋转切割磁力线,就可发出巨大的电流来。设想中的黑洞发电机,实际上就是利用黑洞的旋转能来发电,由于黑洞的巨大能量,黑洞的旋转能是巨大的,任何其他能量与它相此,都是小巫见大巫。因此,黑洞发电机将是宇宙中最大的发电机。
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,带动发电机的转子旋转发电。这与借用水流的冲击力带动发电机的转子发电是同样的道理。
但是,这里的重物下落比水流冲击的能量要大得多。因为重物越靠近黑洞,受到的引力越强,下落速度越快,转子的转速也越快;还有,重物下落速度加快,其动能增加。根据爱因斯坦相对论质能等价原理,也就是重物的质量越来越大,它所受到的黑洞引力也越来越大,使下落速度进一步增加。因此,重物对发电机所做的功是递增的。
在理论上,重物的全部质量都可以变为能量,根据相对论质能转换公式E=MC2,一个质量1千克的重物,可以获得100亿千瓦小时的电功率,这比1千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,实际上的电功率会稍小一些。
让黑洞发电,就是将黑洞当做“重力井”,也就是将落到黑洞中物质的巨大位能转换成热能或光能,然后再转换成电力。其原理类同水力发电和太阳能电池。具体地说,就是先使气体物质朝黑洞方向落下,在黑洞周围形成旋转的增积圆盘。圆盘内的气体,经与周围气体强烈摩擦后,温度升高,开始放射出强光。来自黑洞增积圆盘的热辐射,使其周围的气体能像太阳能电池板一样转变为电力。因此到黑洞中建造发电站,就好像今天人类在天然河川中建造水坝一样。
黑洞发电站一旦建成,可使用达数百万年之久。