第179章 黑洞能源（一）

李水旺新一期视频是《黑洞能源》：

今天，我们要探討的是如何將人工製造的小型黑洞用作星际飞船的动力来源。

黑洞越小，释放的能量就越多，这种能量被我们称为霍金辐射。微型黑洞释放的功率大致与其质量成反比平方关係，也就是说，如果存在两个黑洞，其中一个的质量是另一个的两倍，那么质量较大的那个黑洞释放的功率仅为质量较小黑洞的四分之一。由於这些微型黑洞是通过消耗自身质量来释放能量的，所以它们最终会 “耗尽燃料”。质量较大的黑洞之所以存在时间更长，是因为它释放的能量仅为小黑洞的四分之一，而自身质量却是小黑洞的两倍，因此其存在时间约为小黑洞的八倍。同理，一个质量仅为另一个黑洞十分之一的小型黑洞，释放的功率会是前者的一百倍，但由於自身质量只有前者的十分之一，它耗尽 “燃料” 的速度会比前者快一千倍。

不过需要说明的是，以上表述只是一个近似值，並非精確计算得出的结果。因为我们目前能够探测到的黑洞质量都非常大，它们释放的辐射能量极其微弱，甚至不足以点亮一个小小的发光二极体。即便这些大质量黑洞离我们只有月球那么近，我们也无法探测到它们的霍金辐射，更不用说那些距离我们数百光年的黑洞了。

因此，目前我们对黑洞霍金辐射的认知仅停留在理论模型层面，而这些理论模型实际上並不完全遵循我刚才提到的质量与辐射功率的关係。而且，关於这一问题，目前还存在多种相互竞爭的理论模型。所以，在今天的探討中，我將专门採用韦斯特莫兰和克兰在 2009 年发表的一篇论文中的数据。这篇论文最初就是关於黑洞飞船的研究，如果你打算对这一主题进行更深入的研究，这篇论文很可能是你会频繁参考的文献。

话虽如此，黑洞飞船的核心概念其实相当简单：首先製造一个小型黑洞，其质量介於一艘航空母舰和一支小型超级油轮船队的质量之间。一旦拥有了这种质量级別的黑洞，你就相当於拥有了一个能释放巨大能量的物体。我们今天要討论的这类黑洞，其释放的功率范围大致在太阳照射到地球功率的百分之一到数倍之间。顺便提一下，太阳照射到地球的功率通常被表述为几百拍瓦（1 拍瓦等於 100 万吉瓦）。目前，大多数大型核反应堆和水力发电大坝的发电量约为 1 吉瓦，这意味著太阳照射到地球的功率大约是我们现有最大发电厂功率的 1 亿倍。而我们今天討论的这类黑洞，其释放的功率更是比我们现有最大发电厂的功率高出数百万倍甚至数十亿倍。

我过去曾提到过一个观点：“无武装宇宙飞船” 本身就是一个矛盾的说法，科幻作品中常见的 “无武装货船遭遇袭击” 的情节在现实中是站不住脚的，黑洞飞船的存在就是又一个例证。任何星际飞船的能量输出都极其巨大，1 拍瓦的功率相当於每秒引爆 16 颗广岛原子弹所释放的能量。我们今天討论的这类黑洞飞船，其功率输出范围在 1 拍瓦到数千拍瓦之间。即便是功率最低的黑洞飞船，即便它只能將自身能量输出的 1% 转化为武器威力，每几分钟也足以將一座小城市夷为平地；而对於功率最高、能量转化效率也最高的黑洞飞船来说，其破坏力堪比一挺能发射氢弹的机关枪。

显而易见，拥有如此巨大的能量，自然也就具备了造成巨大破坏的能力。不过，黑洞释放能量时，其辐射是向各个方向均匀扩散的，就像太阳发光一样。通常情况下，我们可以通过在黑洞的一侧设置一个屏障来改变这种辐射方向 —— 比如，让向下辐射的光线反射到右侧，这样一来，辐射就不再是全向的了。如果使用拋物面反射镜，效果会更好。从概念上讲，这就是最简单的黑洞推进器原理：一个黑洞加上一个附带的拋物面反射镜，飞船的其余部分则设置在反射镜的另一侧。

事实证明，质量处於百万吨级別的黑洞，若搭载与其质量相近的飞船，其產生的加速度和能达到的最高速度，足以让人类在有生之年完成星际旅行（从一颗恆星抵达另一颗恆星）；即便要前往太阳系中更遥远、更黑暗的外围区域，也只需数月时间。对於黑洞飞船而言，在能量利用效率极高的情况下，有一个关键数据需要记住：对於总质量为 1 百万吨的飞船，要实现 1g（地球重力加速度）的加速度，每 3000 拍瓦的能量输出是必要的条件。

儘管这个能量输出听起来极为庞大，但要將物体加速到接近光速，这个能量规模依然不够惊人。接下来展示的这个表格，节选自韦斯特莫兰和克兰 2009 年的那篇论文，表格中计算了不同质量（以百万吨为单位）的黑洞所对应的功率输出（以拍瓦为单位）。在此基础上，我额外添加了几列数据：一列是功率质量比；另一列是当飞船（含货物）质量与黑洞质量相等时，飞船所能达到的加速度（以 g 为单位）—— 例如，一艘总质量为 2 百万吨的飞船，其中黑洞的质量占一半，飞船及货物的质量占另一半；最后一列数据是飞船加速到光速的 1% 所需的时间。选择 “光速的 1%” 这个速度节点，纯粹是为了规避相对论效应的影响，因为在这个速度下，相对论效应的影响微乎其微。当物体以光速 1% 的速度运动时，时间膨胀效应导致时钟每天仅慢几秒；而且，在这种情况下，使用传统的牛顿力学方程来计算速度和动能，其误差极小，只有在进行高精度测量时才会显现出来。

这一数据表格似乎表明，我们显然更倾向於选择质量最小的黑洞，因为它能为飞船提供最大的加速度。当然，你可能不会希望飞船的加速度达到 8.5g（这样的加速度对人体而言难以承受），但如果我们能將飞船（不含黑洞）的质量儘可能降低到接近零，那么飞船的加速度几乎能再提高一倍；反之，增加飞船质量则会降低其加速度。

但问题在於，正如我之前提到的，小型黑洞的存在时间並不长，而且黑洞质量越小，其存在时间就越短。因此，表格的最后一列列出了论文中提到的各类黑洞的大致寿命。除非你能找到为黑洞 “补充燃料” 的方法 —— 比如，向黑洞中注入更多物质，否则，那些质量最小的黑洞甚至无法支撑到飞船抵达目的地。因为黑洞在释放能量的同时会不断损失质量，而质量的损失又会导致它释放能量的速度加快、质量损失的速度也进一步加快，最终，黑洞会变得极小且能量极高，直至发生剧烈 “爆炸”（完全蒸发）。

所以，如果你的黑洞质量不足以支撑整个航程，那么在黑洞完全蒸发后，飞船就会失去动力来源，当你抵达目的地时，也就无法减速。不过，这一问题並非无法解决。我们討论过一些无需消耗燃料就能让飞船减速的方法，其中一种便是 “巴萨德衝压发动机”的概念。这种发动机的设计思路是：通过磁场收集星际空间中的氢原子，然后將这些氢原子压缩到飞船的轴向通道中，引发核聚变反应，从而產生推进力。