我们能从黑洞中获得能量吗？

assdsss

我们能从黑洞中获得能量吗？
作者：一点资讯

discuznt

Penrose过程和霍金辐射，前面几位都说过了。

霍金辐射太弱了，弱得在天文上根本观测不到。Penrose过程还有待研究，也许和射电观测上的jet有关，让大牛们去讨论吧。我来补充一下其它的手段。

宇宙中最亮的源几乎都和黑洞这样的致密天体脱不了关系，比如活动星系核（AGN），X射线双星的爆发（outburst），潮汐撕裂事件（TDE）等等。它们正是利用黑洞的强大引力，“产生”能量。这个能量随随便便就10^（三四十）erg/s，大概也就1亿亿亿个小目标吧。

一般物体掉入黑洞有三种轨迹，椭圆轨道、抛入轨道、双曲轨道（逃逸轨道）。Penrose过程就可以看作一个粒子先假装走抛入轨道，然后在Kerr黑洞的能层中发生了一次“物理反应”，产物中的某一个或多个高速的粒子，快到可以走逃逸轨道然后跑掉了，还顺便“偷”走了黑洞转动的能量。




（黑洞从伴星获取气体）

然而，我们这里讲的主要是椭圆轨道。当大量气体沿着椭圆轨道运动时，形成一个吸积盘。在潮汐力的作用下，气体的运动轨道一般会变成圆轨道。我们知道不同轨道半径上物质运动的速度不同，吸积盘上不同半径处的气体速度不同并且相互摩擦，摩擦使温度升高，进而产生更多的电磁波辐射（黑体辐射正比于温度的四次方），过程中气体会运动到更低的轨道，并获得更多的能量，直到气体离黑洞的距离比最内稳定圆轨道ISCO的半径还小（对于史瓦西黑洞是3个引力半径）。这个过程中1个质量为M的物质辐射的能量约为0.1Mc^2，辐射效率比氢蛋还高出一个多量级！




（图中亮亮的就是吸积盘）


所以恒星级及更大质量的黑洞的正确使用方法是，先用那个什么“戴森球”抓个黑洞，再往里面按一定角速度扔东西，把黑洞当“炉子”用，比高达洞洞里的太阳炉好用多了（前文说了效率比核聚变高出一个量级）。如果是微型黑洞，霍金辐射的能量会占主导，这样的黑洞可以当作“打火机”直接使用，不知道CERN那有没有生产。

利用黑洞吸积过程获取能量，不仅没有减少黑洞本身的能量，反而使黑洞获得了质量，简直是一个双赢的举措。

ylzhang

谢邀。
天然产生的黑洞通常都是旋转的。它们旋转的能量可以通过彭罗斯过程（Penrose process - Wikipedia）之类的方法提取出来。如果人类文明或其他外星文明有幸生存到所有恒星都已经熄灭的黑洞纪元（宇宙中有哪些细思极恐之事？ - 知乎），黑洞就是唯一的能源了。

然而，黑洞的旋转能量也会消耗殆尽。到时候，我们又到哪里去寻找能量的源泉呢？你可能会想到：我们能够指望的，只有黑洞的霍金辐射了。由于空间膨胀，宇宙微波背景辐射已经降低到非常接近于绝对零度了。这时，原本一毛不拔的黑洞反而成了暗夜里的火炬。未来的人类需要在黑洞周围修建戴森球，吸收所有霍金辐射的能量。

如果只考虑基本的生存需求，一个人大约需要消耗的功率是100瓦。我们先来看看这样一个小小的火炬能够养活多少人吧。黑洞霍金辐射的功率与黑洞的质量是成反比的，所以最小的黑洞反而会释放出最大的能量。自然产生的黑洞质量下限是3倍太阳质量，这样的黑洞通过霍金辐射输出的功率为10^-29瓦。
看到这个小得可怜的数字，你也许会大失所望。别说养活一个人，这点能量连养活一只病毒都不够。所以，人类必须丢掉继续以生物形态生存的幻想，选择把意识传输到电脑中，生活在虚拟世界。
那么，这个戴森球聚集能量的唯一目的就是运行这台超级电脑。这种特殊的巨型建筑被称为Matrioshka Brain(Matrioshka brain)。

不过，电脑消耗的能量也是不可忽略的。我们还是需要算一算，黑洞的能量能否驱动一个虚拟世界。假设这时候微波背景辐射的温度已经降到了10^-10K，那么根据兰道尔定律（Landauer  principle），设置一个二进制位的值需要消耗的能量是10^-33焦耳。这样，在一个最大功率黑洞的驱动下，我们可以每秒钟设置约10000个二进制位。
虽然速度不太可观，但是这个电脑多少可以做一些事情了。不过可能你还是不满意：这还是不足以运行虚拟世界啊。不要着急，在这个漫长的黑洞纪元，我们最不缺的就是时间。能量不够就让电脑跑慢点，反正虚拟世界中的人不会知道自己的世界正在以慢得不可救药的速度运行。我无法估计一个每秒设置多少二进制位才能完美地模拟一个人类的思维，姑且保守估计为10亿次吧。我们的超级电脑需要10万秒才能完成10亿次二进制位的设置。按照这个分析，我们让虚拟世界的时间比现实世界慢10万倍就行了。
现在，我们就在电脑中可以运行一个虚拟世界，里面只有一个孤零零的大脑，在专注地思考“我是谁”，“这是什么地方”，“我要干什么”之类深奥的哲学问题。

想必你肯定不愿意去扮演这个大脑。一个合格的虚拟世界至少需要上百万的人口和一个生活舒适的环境。这些条件无疑会把对能量的需求提高很多数量级。我们只好故技重施，再次减慢虚拟世界的时间。我估计减慢到真实时间流速的万亿分之一就应该绰绰有余了。
在霍金辐射的作用下，一个3倍太阳质量的黑洞的寿命是10^68年。这是一个漫长得可怕的时间。我们的宇宙从诞生到现在才1.38 x 10^10年。而恒星纪元（恒星照耀宇宙的时代）的长度也只有4 x 10^13年。所以，黑洞纪元中的虚拟文明，从外面看十分黑暗，无助，但是这丝毫不影响里面的虚拟人类过着丰富多彩没羞没臊的生活。而且它的长度却超过以前所有时间的10^54倍。即使我们把虚拟世界的时间流速放慢了一万亿倍，这也是一段无比漫长的岁月。
然而没有什么是永恒的，连黑洞也不例外。当黑洞走到它生命的尽头，就会在一片闪光中化为乌有，同时带走围着它取暖的虚拟人类世界。当人类赖以生存的每一个黑洞都烟消云散，这应该就是宇宙中最长寿的文明的末日了。

ling332601

这里我来推导一下Penrose过程所能提取的Kerr黑洞能量上限，以及纠正一下 @Trivial 的回答中的两点小偏差。
Kerr黑洞静电荷为零且拥有非零角动量，它周围时空的度规可以写成如下形式

其中 是Schwarzschild半径（ ）， ， ， 。
Kerr黑洞的事件视界（event horizon）对应着 ，即 。在外事件视界（outer event horizon），即 ，之外还有一个被称为ergosphere的特殊区域。在黑洞外无限远处的静止观察者看来，这个区域中任何物体都无法保持静止，而是会被时空挟裹着一起运动，这种现象叫做Lense-Thirring effect。ergosphere的外边界被称为stationary limit surface，它对应的是Killing vector 满足 的位置，即 ，将 和 的定义代入可得 。从函数的形状可以直接看出在stationary limit surface以内我们有 ，也就是说，在ergosphere中 是类空的（spacelike）。
我们之所以能从Kerr黑洞中提取能量是因为在ergosphere中粒子可以以负能量的状态存在。这是因为对应着Killing vector 我们有如下的粒子能量表达式： ，将Kerr度规代入其中可得 。在上文中我们已经知道ergosphere中的 是类空的，因此在ergosphere中可以存在粒子满足 （这是因为ergosphere中的粒子还没进入事件视界以内因此对应的 是类时的）。这意味着我们可以通过在ergosphere中抛弃一些处于负能量状态的粒子来获得能量。
在Penrose过程中虽然黑洞的能量减少，但outer event horizon的表面积是不减的。我们可以通过outer event horizon上的induced metric来计算这个表面积。在上文的四维时空的Kerr度规中令 和 ，我们便有 ，因此outer event horizon的表面积就是 。对于Kerr黑洞被提取完所有可以通过Penrose过程提取的能量以后所留下的Schwarzschild黑洞来说，面积 所对应的质量就是 ，下标代表的是irreducible。因此通过Penrose过程我们能从Kerr黑洞提取的能量的表达式为 。


@Trivial 的回答中有两点小偏差。
首先，被Penrose过程完全提取能量以后，原先的Kerr黑洞变成了Schwarzschild黑洞，但这并不是一个极端黑洞（extremal black hole）。极端黑洞指的是在给定电荷量和角动量的情况下拥有最小可能的质量的黑洞。举个例子，对于Kerr黑洞来说，当角动量增大到 时，inner event horizon和outer event horizon都是 ，这就是一个极端黑洞，此时如果保持角动量不变而减小质量，那黑洞就会变成super-extremal的裸奇点。Schwarzschild黑洞没有非零的静电荷和角动量，因此它所允许的质量没有一个被静电荷和角动量所规定的下限（当然，除了不能小于零），因此并不是极端黑洞。
其次，Penrose过程从Kerr黑洞中所能提取的能量的上限并不总是约等于29%，具体的百分比取决于我们所面对的Kerr黑洞的角动量大小。约等于29%的结果对应的是极端Kerr黑洞（extremal Kerr black hole）的情况，即角动量满足 。对于转得更慢的Kerr黑洞（ ）来说，能量提取比例会低于这个数。这一点可以很容易地从上文得到的式子看出来：
当 时我们有 。

CCouQPvx

理论上当然可以，对于旋转的Kerr黑洞，由于时空的某些特性（无穷远类时矢量在能层内类空），使得能层内可以存在负能轨道。如果一个碎片飞到能层里面，让碎片在能层内分裂，一部分留在负能轨道中，另一部分飞出去，根据能量守恒，飞出去的碎片能量变大了，所以从黑洞中提取了能量。但随着这个过程，黑洞角动量逐渐变小，能层也逐渐变小，最终黑洞变成极端黑洞，不再能提供能量。这一过程叫做penrose过程。经过一个不难的计算，我们会发现大约可以提取29%的黑洞能量。