​来自星际的黑洞

黑洞：宇宙中的怪物。黑洞形成于大质量恒星的坍缩，人们常常可以认为它会撕裂整个行星，或者在星系中心静静地等待一个毫无戒心的星团稍稍靠得太近。黑洞可以将数百万甚至数十亿颗恒星的质量压缩成一个半径不大于太阳系外围的半径，或者将一颗质量相当于太阳的恒星压缩成一个体积小于珠穆朗玛峰的体积。这种巨大的密度不仅足以扭曲空间，还足以扭曲时间。黑洞之所以得名，是因为它们的引力如此之大，以至于即使是宇宙中速度最快的光，也无法逃离它们的视界。

但是黑洞并不完全是黑色的。1974年，理论物理学家斯蒂芬·霍金提出，黑洞可能通过一种后来被称为霍金辐射的过程，在其视界正上方产生辐射能量(即光)。霍金知道，在整个空间中，粒子-反粒子对从时空的固有能量中爆发出来，但由于它们的电荷相反，它们立即被吸引到一起。这些新形成的粒子和反粒子迅速相互湮灭，重新转化为产生它们的能量。然而，在黑洞视界附近的情况就不同了。

首先，在黑洞的视界附近，由于黑洞在时空自身上附加的引力能，粒子-反粒子的形成和毁灭速度加快。其次，霍金意识到，粒子-反粒子对有可能在黑洞视界的正上方形成，但两个粒子的运动方向略有不同。如果一对粒子中的一个被吸进黑洞，而另一个没有被吸进去，一个游离的粒子(或反粒子)就会在黑洞周围自由地漫步。因为从统计上看，未绑定粒子或反粒子形成的速度是相同的，所以在黑洞视界附近的反粒子数量与杂散粒子数量相同。这些粒子和反粒子会相互吸引，相互碰撞并爆炸，形成纯能量爆发，以黑洞捕捉不到的速度从黑洞辐射出去。因为这辐射创建粒子产生的黑洞的引力能量，黑洞失去能量通过E = mc计算。

​描述霍金辐射从黑洞凸轮

这个理论在物理学界引起了不小的反响，因为它暗示，最终，整个宇宙的质量将落入黑洞，并以能量的形式辐射出去，使宇宙成为一个无质量的辐射场。当物理学界正在思考这个新提出的宇宙热死亡理论时，工程学和科幻界却在思考如何将这一现象应用于实践。任何辐射物都可用作电源；也许蒸发的黑洞有一天能给人类提供无限的能量？事实证明，蒸发的黑洞根本不释放多少能量。一个质量相当于太阳的黑洞需要2.5万亿倍于目前宇宙年龄的能量来提供100瓦的灯泡一秒钟的照明。更大质量的黑洞发出的霍金辐射甚至比这个还要少。

那么质量较小的黑洞呢？尽管黑洞在自然界中并不形成，但霍金的公式确实表明，如果能够创造出更小的黑洞，那么它们产生的能量将比更大的黑洞要大得多。既然物理定律并不禁止这样的黑洞存在，也许有一天我们可以人为地创造出一个黑洞，它可以作为我们人类的能量来源。利用这样一个“微黑洞”的能量输出并将其转化为可用的能量可能会被证明是困难的，但是用这些排放来代替航天器的推力可以提供一个穿越浩瀚宇宙的高效可靠的保障。利用蒸发的黑洞作为推进的手段被称为黑洞星际飞船。

黑洞星际飞船将围绕三个主要组件设计；微型黑洞、反射器和有效载荷，如星际探测器或乘员舱。反射器将被放置在与微黑洞的一个微调距离上，在那里霍金辐射压力向外的力与黑洞质量向内的引力完全相等。这种设置将限制反射器和黑洞之间的相对运动。然而，由于黑洞的排放现在都被引导到一个方向，一个反作用力发生在系统上，一个加速度被给予。通过这种方式，飞船和微型黑洞一起在太空中向前推进，尽管彼此从未接触过。

​黑洞星际飞船可能布局的横截面的初步草图。在这个设计中，反射器能够“旋转”，将黑洞辐射推向相反的方向，使飞船在接近目标时减速。

确定黑洞飞船的大小受到几个有关黑洞质量的因素的限制。如前所述，质量较小的黑洞产生更多的能量，从而产生更多的推力。然而，这是以黑洞寿命较短为代价的，它的所有质量都以太短的时间尺度被辐射出去，以至于无法用于星际旅行。一个质量较小的黑洞在它的视界处也更热，这就为寻找一种能够在不融化的情况下承受高温的反射器材料提出了技术问题。此外，平衡黑洞的重力和辐射压力与反射器要求反射器有足够的质量，以实际“拖动”黑洞与飞船引力。最后，随着黑洞向外辐射，它将很快变得更热、更强大。使用寿命大大超过任务时间尺度的黑洞更好。

作为一个思维实验，让我们用一艘黑洞飞船将1000名宇航员发射到4.21光年外的比邻星。飞船分配10公斤(约等于1/3帝国大厦的质量),假设一些未来材料超高反射率和温度电阻(我们人为地创造了一个黑洞)，我发现一个3.8 * 10公斤微型黑洞星际旅行是最有效的解决方案。这个微型黑洞的亮度相当于500万个典型核反应堆的功率，它的质量只需要146年就会耗尽。然而，这并不是在船员们出发70年后在比邻星着陆，在中途达到了光速12%的最大速度。

​艺术家对黑洞星舰的印象

70年仍然是一段很长的时间，0.12光速度还不够高，不足以让宇航员体验到明显的时间膨胀效应。这意味着这艘船将需要配备假死的船员，或他们的亲属几代人。然而，有一些潜在的解决方案可以显著降低这种旅行时间。也许最有希望、最优雅的解决方案是使用Bussard电磁收集器从星际空间收集物质，在到达目的地的途中将其添加到黑洞中。这将允许使用一个更小、更强大的黑洞，在到达之前不会燃烧掉它的质量。例如，一个容器使用一个黑洞的质量2 * 10公斤只需要收集并添加大约每秒100克(约一根香蕉的质量)黑洞维持一个稳定的功率输出。这将允许在短短29年内到达比邻星，达到接近光速29%的峰值速度。

进一步增加黑洞星际飞船可用能量的另一种可能性是使用克尔-纽曼黑洞。与传统黑洞不同的是，克尔-纽曼黑洞是旋转和带电的。由于额外的能量包含在旋转或带电的质量中，克尔-纽曼黑洞将比它们的普通黑洞拥有更多的能量，为黑洞星际飞船提供更多的能量。

​总的来说，设计黑洞星际飞船的两个最大限制是：

创造一个人造的微型黑洞制造一种足够反光的材料或涂层，以保持反射器(以及船)的凉爽

如果第一个约束能够被克服，第二个约束将被证明是一项相当艰巨的任务。黑洞的表面温度在前面案例研究的是3 * 10开尔文。使用当今市场上最反光的材料，我们的反射器需要直径为20公里，才能与黑洞保持足够的距离，在极端高温下保持固体，这将给我们的宇宙飞船增加天文质量，大大增加旅行时间。反射器要有一个合理的质量(即小于飞船的质量)，就需要反射出黑洞发出的所有波长辐射的99.999996%。等到我们有了制造和操纵黑洞质量的技术，希望这个问题也能得到解决。

作为一个物种，我们刚刚开始迈出进入宇宙的第一步；我们第一次进入最后的疆域。宇宙在召唤我们去探索，但它似乎也永远遥不可及。我们不能永远待在这里。有一天，人类将行走在群星之间，就像你我今天行走在地球上一样简单。目前还没有人知道我们将如何实现这一目标，但如果说数百年的科学技术教会了我们什么的话，那就是保持开放的心态，期待意想不到的事情发生。是的，太空是一个巨大的地方，但这不会阻止我们人类跃上太空，用任何必要的手段探索星球，即使这些手段是宇宙中最强大和神秘的物体。