總有一天太陽(yáng)會(huì)隕落，供其進(jìn)行核聚變的燃料會(huì)耗盡，世界會(huì)變得陰冷。如果屆時(shí)地球仍然健在，人類(lèi)將會(huì)墜入永恒的嚴(yán)冬中。為了生存，我們的后代需要另謀出路——也許，他們首先會(huì)耗盡地球的能源，然后是太陽(yáng)系的，最終，可見(jiàn)宇宙范圍內(nèi)所有星系中的所有恒星的能源都會(huì)被消耗殆盡。當(dāng)沒(méi)有任何剩余能源可用時(shí)，他們肯定會(huì)把目光投向最后的能量倉(cāng)庫(kù)：黑洞。我們的后代能從黑洞中獲取能源，并延續(xù)我們的文明嗎？
這篇文章中，我?guī)?lái)了一些壞消息。這樣的計(jì)劃是行不通的。原因要?dú)w咎于量子弦這種奇異實(shí)體的物理特性，以及科幻小說(shuō)一直鐘愛(ài)的太空電梯。
虛幻的希望
乍看之下，從黑洞中提取能量或者其他任何東西都是不可能的。畢竟，黑洞被一個(gè)“事件視界”包圍著，這是一個(gè)有去無(wú)回的球面，球面內(nèi)的引力場(chǎng)會(huì)變得無(wú)限大。任何誤入這個(gè)球面的東西都注定會(huì)毀滅。因此，一臺(tái)掄著大鐵球，企圖從視界上破開(kāi)一個(gè)洞，從而把能量釋放出來(lái)的吊車(chē)不僅不會(huì)成功，自己反而會(huì)被破壞，連帶著不幸的駕駛員一起被黑洞吞沒(méi)。投入黑洞的炸彈非但不能摧毀黑洞，反而會(huì)讓它變得更大，增加的量就等于炸彈的質(zhì)量。進(jìn)入到黑洞中的任何東西都無(wú)法出來(lái)：隕石不能，火箭不能，甚至光也不能。
我們過(guò)去基本上就是這么認(rèn)為的。但是，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在1974年發(fā)表的那篇讓我最為震驚，也最為興奮的物理學(xué)論文證明，我們過(guò)去的想法是錯(cuò)誤的。在雅各布·貝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein，目前就職于耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)）的早期思想的基礎(chǔ)上，霍金證明黑洞會(huì)泄漏出少量輻射。如果你掉入黑洞的話還是會(huì)死，不過(guò)，盡管你本人永遠(yuǎn)無(wú)法逃出來(lái)，但你的能量可以出來(lái)。這對(duì)于未來(lái)的黑洞能源開(kāi)發(fā)者是一個(gè)好消息：能量是可以逃出來(lái)的。
能量能夠逃離出來(lái)的奧秘，隱藏在量子力學(xué)的神秘世界中。量子物理的一個(gè)標(biāo)志性現(xiàn)象是，粒子可以穿過(guò)本不可能穿過(guò)的障礙。一個(gè)向著勢(shì)壘（勢(shì)能比周?chē)叩膮^(qū)域，在經(jīng)典物理范疇內(nèi)，粒子的能量必須足夠高才能從這個(gè)區(qū)域翻越過(guò)去）運(yùn)動(dòng)的粒子有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一邊。不要在家里嘗試這種行為——將自己撞向一堵墻，你是不可能毫發(fā)無(wú)傷地出現(xiàn)在墻的另一邊的。但是，微觀粒子的隧穿效應(yīng)就容易得多。
量子隧穿是α粒子（一個(gè)氦核）能夠掙脫放射性鈾核的原因，也是霍金輻射能從黑洞中泄露出的原因。粒子掙脫事件視界并不是直接突破了那近乎無(wú)限強(qiáng)的引力場(chǎng)，而是通過(guò)量子隧穿實(shí)現(xiàn)的。（當(dāng)然，沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)黑洞輻射。但這是將量子力學(xué)應(yīng)用到彎曲時(shí)空所得到的令人信服的數(shù)學(xué)結(jié)果，任何人都不會(huì)懷疑的。）
由于黑洞會(huì)發(fā)出輻射，我們也許就有希望獲取它們的能量。但真正的困難在于細(xì)節(jié)方面。無(wú)論我們?nèi)绾稳L試提取這些能量，都將困難重重。
一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是等待。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，黑洞會(huì)一個(gè)光子一個(gè)光子地將自己的能量釋放回宇宙中，進(jìn)入我們等待的雙手里。每損失一點(diǎn)能量，黑洞都會(huì)減小一點(diǎn)，直到最后消失不見(jiàn)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，黑洞就像一杯美味可口的咖啡，你不能接觸它的表面，否則就會(huì)被引力撕裂。但仍然有一種辦法可以享受到這杯危險(xiǎn)的咖啡，那就是等著它蒸發(fā)，然后吸入蒸發(fā)出的氣體。
遺憾的是，雖然等待是一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，但這個(gè)過(guò)程極其緩慢。黑洞非常黯淡，一個(gè)質(zhì)量與太陽(yáng)相等的黑洞，發(fā)出的輻射相當(dāng)于溫度低至60納開(kāi)爾文的黑體（也就是說(shuō)，這個(gè)黑體的溫度距離絕對(duì)零度只有0.00000006度）。20世紀(jì)80年代以前，我們還無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中將物體冷卻到那樣的低溫。要使一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的黑洞完全蒸發(fā)掉，需要的時(shí)間無(wú)比漫長(zhǎng)，是現(xiàn)今宇宙年齡的10^57倍。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)黑洞的壽命等于其質(zhì)量的立方——m^3。因此，我們渾身打顫的后代們必須要加快行事才行。
開(kāi)采“黑洞大氣”
有一個(gè)原因，可以讓我們的后代保持樂(lè)觀：并不是每一個(gè)掙脫了黑洞視界的粒子都會(huì)逃逸到無(wú)窮遠(yuǎn)的地方。實(shí)際上，幾乎沒(méi)有粒子能跑出那么遠(yuǎn)。差不多所有通過(guò)隧穿效應(yīng)穿過(guò)事件視界的粒子很快就會(huì)再次被引力場(chǎng)俘獲，然后被黑洞回收。如果我們能用某種方法，將這些光子從黑洞的束縛中奪取過(guò)來(lái)，在它們已脫離視界但還沒(méi)被再次俘獲時(shí)將它們營(yíng)救出來(lái)，那么我們也許可以更快地獲取黑洞的能量。
要知道怎樣奪取這些光子，首先必須研究黑洞附近的那些極端作用力。之所以絕大多數(shù)的粒子會(huì)被黑洞重新俘獲，是因?yàn)樗鼈儾⒉皇枪P直射出的。試想，緊貼著黑洞的視界向外發(fā)射一束激光。為使激光能夠逃脫出去，你必須對(duì)準(zhǔn)正上方發(fā)射，離視界越近就更要對(duì)準(zhǔn)正上方。那里的引力場(chǎng)實(shí)在太強(qiáng)，只要稍微偏離方向，光線就會(huì)繞一個(gè)圈子落回到黑洞中。
如果粒子偏離垂直方向，由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度反而不利于粒子逃離，這可能聽(tīng)起來(lái)很奇怪。畢竟，就是軌道速度提供的離心力抵消了引力，才使得國(guó)際空間站能夠懸在空中。然而，當(dāng)過(guò)于接近黑洞的時(shí)候，形勢(shì)發(fā)生了逆轉(zhuǎn)——旋轉(zhuǎn)速度會(huì)阻礙物體逃離。這種效應(yīng)是廣義相對(duì)論的結(jié)果，根據(jù)廣義相對(duì)論，引力會(huì)作用于所有的物質(zhì)和能量——不僅是靜質(zhì)量，也包含軌道動(dòng)能。當(dāng)靠近黑洞時(shí)（更確切地說(shuō)是在事件視界半徑的1.5倍以內(nèi)），軌道動(dòng)能所帶來(lái)的吸引力大于離心排斥力。在這個(gè)半徑之內(nèi)，旋轉(zhuǎn)速度越大，粒子就會(huì)越快落入黑洞。
這個(gè)效應(yīng)表明，如果你沿著繩索向黑洞表面下降，很快你就會(huì)感到非常熱。你將同時(shí)沐浴在兩類(lèi)光子中。一類(lèi)是將會(huì)逃到無(wú)限遠(yuǎn)處，成為“霍金輻射”的光子，還有一類(lèi)是那些不能逃出去的光子。黑洞有一層“熱大氣”，離事件視界越近就越熱。而熱就意味著攜帶著能量。
事件視界之外儲(chǔ)存著能量，這讓科學(xué)家想到了一個(gè)非常巧妙的辦法來(lái)獲取黑洞能量：我們可以接近黑洞，采集那里的熱大氣然后運(yùn)出去，通過(guò)這種方式來(lái)開(kāi)采黑洞能量。把一個(gè)盒子懸掛到黑洞視界附近，但不要穿過(guò)視界，裝滿熱氣體后拽出來(lái)。采集到的氣體中有一部分本來(lái)可以自己逃出去，就是“霍金輻射”，但是絕大部分氣體如果沒(méi)有我們的干預(yù)，最終注定會(huì)掉回黑洞。（一旦那些氣體離開(kāi)了事件視界附近，將它們運(yùn)回地球就非常容易了：簡(jiǎn)單的打包，放到火箭上運(yùn)回家或者將氣體的能量轉(zhuǎn)變成激光發(fā)射回去。）
這個(gè)方法就像是在我們那杯可口而又危險(xiǎn)的咖啡表面吹氣一樣。如果不加干預(yù)的話，絕大多數(shù)蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣都將落回杯中，但從表面吹氣，可以趕在水蒸氣落回杯中之前把它們移走。這種方法的設(shè)想就是，通過(guò)剝離黑洞的熱大氣，我們可以快速地“享用”黑洞，把時(shí)間尺度從自然蒸發(fā)需要的m^3量級(jí)縮短到m量級(jí)。
然而，我最近的研究證明，這種設(shè)想是不可行的。這個(gè)結(jié)論并非源于對(duì)量子力學(xué)或者量子引力的深層思考。相反，這來(lái)自于最簡(jiǎn)單的考慮：你找不到足夠結(jié)實(shí)的繩子。為了開(kāi)發(fā)那層熱大氣，你需要在黑洞附近懸掛一根繩子——需要建造一部太空電梯。但是，我發(fā)現(xiàn)，要在黑洞附近建造任何實(shí)際有效的太空電梯都是不可能的。
建造太空電梯
太空電梯（有時(shí)也被稱作天鉤）是幻想中的未來(lái)交通工具，因出現(xiàn)在科幻小說(shuō)家亞瑟·C·克拉克（Arthur C. Clarke）1979年的小說(shuō) 《天堂的噴泉》中而為人熟知?？死嗽O(shè)想，讓一根繩索懸掛在外太空并一直垂到地球表面。這跟繩索不是由來(lái)自下方的推力所支撐（像摩天大樓那樣，每一層都支撐著上面的樓層），而是由來(lái)自上方的拉力拉著（每一段繩索都支持著它下方的片段）。繩索的遠(yuǎn)端系在一個(gè)巨大的、沿著同步靜止軌道外圍緩慢運(yùn)行的物體上，這個(gè)物體向外拽著繩索，讓整個(gè)裝置保持懸浮。繩索的底端垂到地球的表面，由于各種力的平衡，就像用了魔法的力量一樣靜止在那里（克拉克曾說(shuō)過(guò)，足夠先進(jìn)的科技無(wú)異于魔法）。
這種先進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵在于，由于有那根繩索的存在，向軌道上運(yùn)輸貨物會(huì)變得非常容易。我們不再需要危險(xiǎn)、低效而又浪費(fèi)的火箭了。在火箭的太空之旅中，送上天的主要是自己要用的燃料。取而代之的是附著在繩索上，以電力驅(qū)動(dòng)的電梯。這樣一來(lái)，將貨物運(yùn)送到近地軌道的基本成本只是電費(fèi)了，將1千克物品送到太空的費(fèi)用將會(huì)從搭載航天飛機(jī)所需的數(shù)萬(wàn)美元降低到幾美元——到太空的旅程將比坐一次地鐵還便宜。
建造一個(gè)太空電梯需要克服艱巨的技術(shù)難題，而其中最困難的在于，找到一種適合做繩索的材料。理想的材料需要既輕又結(jié)實(shí)——結(jié)實(shí)就不會(huì)在拉力的作用下伸長(zhǎng)或斷裂，輕就不會(huì)讓上方的繩索負(fù)擔(dān)過(guò)重。
鋼材的強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。除了承受下方貨物的重量外，每段鋼索還要承受它自身的重量，所以繩索從下往上必須越來(lái)越粗。相對(duì)于自身的強(qiáng)度而言，鋼材實(shí)在太重了，所以從靠近地表一端開(kāi)始，每隔幾千米，鋼索的半徑就必須加倍。遠(yuǎn)在到達(dá)同步靜止軌道的高度之前，繩索就已經(jīng)粗到不切實(shí)際的程度了。用19世紀(jì)的材料建造太空電梯顯然是不可能的了，但我們還有值得期待的、來(lái)自21世紀(jì)的材料。碳納米管是碳原子組成的長(zhǎng)帶，在它內(nèi)部，碳原子排列成蜂巢一樣的六邊形格子。這種材料的強(qiáng)度是鋼材的1 000倍，是建造太空電梯的完美候選者。
作為迄今為止最浩大的工程，太空電梯需要花費(fèi)數(shù)十億美元。而且，怎樣才能把納米管編制成數(shù)萬(wàn)千米長(zhǎng)的繩子也是個(gè)必須解決的問(wèn)題，此外還有很多其他困難。但是，對(duì)于一個(gè)我這樣的理論物理學(xué)家而言，一旦確認(rèn)我們?cè)O(shè)想的構(gòu)造不違反已知的物理規(guī)律，那么剩下的就只是工程學(xué)問(wèn)題了。（從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，建造熱核發(fā)電站的問(wèn)題也已經(jīng)“解決了”。盡管顯而易見(jiàn)的是，除了偉大的太陽(yáng)，現(xiàn)在還沒(méi)有能為我們提供能源的熱核發(fā)電廠。）
弦：最結(jié)實(shí)的繩子
在黑洞周?chē)?，?wèn)題顯然會(huì)變得更加困難。那里的引力場(chǎng)更強(qiáng)，在地球附近可行的辦法到了那里就會(huì)失效。
可以證明，即使借助碳納米管那常被夸大的力量，要建造一個(gè)可以抵達(dá)黑洞視界附近的太空電梯也是不可行的。承載這種電梯的碳納米管繩索要么在靠近黑洞的一端會(huì)細(xì)到能被一個(gè)“霍金輻射”光子破壞，要么在遠(yuǎn)離黑洞的一端會(huì)由于太粗而在自身引力作用下坍縮，自己變成一個(gè)黑洞。
這些限制排除了碳納米管。但就如同鐵器時(shí)代緊隨著青銅器時(shí)代，碳納米管某天將會(huì)取代鋼鐵那樣，我們會(huì)期待材料科學(xué)家發(fā)明出越來(lái)越結(jié)實(shí)、越來(lái)越輕的材料，而他們確實(shí)也能做得到。但是，這種進(jìn)步不能無(wú)限持續(xù)下去。這樣的進(jìn)步有一個(gè)極限，一個(gè)工程學(xué)的極限，材料的張力強(qiáng)度與重量之比是不可能無(wú)限增大的，自然規(guī)律本身為其規(guī)定了一個(gè)極限。根據(jù)愛(ài)因斯坦的著名公式E=mc^2，我們可以推導(dǎo)出這個(gè)讓人吃驚的結(jié)論。
繩子的張力告訴你要拉長(zhǎng)繩子需要花費(fèi)多少能量：繩子張力越大，為了使它伸長(zhǎng)就需要消耗越多能量。一根橡皮筋之所以有張力是因?yàn)橐顾扉L(zhǎng)，你必須花費(fèi)能量來(lái)重排它的分子：如果分子容易重排（需要花費(fèi)能量很少），張力就?。蝗绻嘏欧肿有枰芏嗄芰?，張力就大。但我們還有另外一種方法可以延長(zhǎng)繩子，不用重排已有繩子內(nèi)的分子，而是新造一段繩子然后連接到舊繩子的尾端。用這種方法延長(zhǎng)繩子所消耗的能量等于新造的那一段繩子所包含的能量，由著名的公式E=mc^2給出——新造繩子的質(zhì)量（m）乘以光速平方（c^2）。
從耗費(fèi)能量的角度來(lái)看，這是一種相當(dāng)不經(jīng)濟(jì)的方法，但同時(shí)也是最保險(xiǎn)的方法。它規(guī)定了延長(zhǎng)繩子所需能量的上限，而這也正是繩子張力的上限。繩子的張力永遠(yuǎn)不可能超過(guò)單位長(zhǎng)度的繩子質(zhì)量乘以光速的平方（也許你會(huì)想到把兩根繩子扭在一起令強(qiáng)度加倍。但同時(shí)，它的重量也加倍了，所以不會(huì)提高“張力—重量比”。）
材料強(qiáng)度的基本極限給科技進(jìn)步留下了很大的空間。這個(gè)極限強(qiáng)度是鋼材強(qiáng)度的數(shù)千億倍，大約也是碳納米管的數(shù)億倍。但同樣，這也意味著我們不可能無(wú)限地提升材料性能。就如同我們提升推進(jìn)速度的努力必將終止于光速一樣，我們制造更結(jié)實(shí)材料的努力也必將終止于這個(gè)極限。
根據(jù)某些理論的猜想，有一種繩子材料能恰好達(dá)到這個(gè)極限，這意味著它是所有材料中最結(jié)實(shí)的。這種材料從未在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)過(guò)，有些科學(xué)家甚至懷疑它是否存在，但有些科學(xué)家畢生都在致力研究它。這個(gè)自然界最結(jié)實(shí)的繩子也許永遠(yuǎn)也不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但它已經(jīng)有了自己的名字：弦。那些研究弦的人——弦理論家認(rèn)為，弦是物質(zhì)最基本的組成成分。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，它是否基本不重要，它的強(qiáng)度才是最重要的。
弦很結(jié)實(shí)。一根和鞋帶一樣長(zhǎng)、一樣重的弦可以吊起珠穆朗瑪峰。由于最艱巨的工程挑戰(zhàn)需要最結(jié)實(shí)的材料，如果我們希望在黑洞周?chē)ㄔ焯针娞?，我們最好的選擇就是弦；碳納米管失敗了，但基本的弦也許能夠成功。如果還有什么材料能勝任這個(gè)任務(wù)的話，那就是弦；反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果弦也不能勝任的話，那黑洞就安全了。
然而，盡管弦很結(jié)實(shí)了，但還是不夠結(jié)實(shí)?？梢哉f(shuō)它處在“足夠結(jié)實(shí)”的邊緣。稍微再結(jié)實(shí)一點(diǎn)，那么即使在黑洞周?chē)ㄔ焯针娞菀彩呛苋菀椎氖拢恢灰俅嗳跻稽c(diǎn)，弦就會(huì)由于自身的重量而斷裂，這個(gè)計(jì)劃就毫無(wú)希望了。弦恰好處在這個(gè)臨界點(diǎn)上，一根用弦制作的繩子，如果懸掛在黑洞上方并垂到黑洞表面的話，它的強(qiáng)度恰好可以維系自身的重量，沒(méi)有余力再掛上電梯和貨物。這樣的繩子可以支撐它自身，但要以舍棄電梯轎廂為代價(jià)。
這樣的事實(shí)意味著，黑洞是無(wú)法開(kāi)發(fā)利用的。自然本身的規(guī)律限制了我們的建筑材料，即使有一根繩子可以到達(dá)黑洞稠密的熱大氣，我們也無(wú)法高效地采集能源。由于弦的強(qiáng)度處在臨界值，我們只能把一根稍短的繩子伸進(jìn)黑洞稀薄的上層大氣中提取有限的能量。
但這樣低效率的開(kāi)采并不比單純的等待好多少：黑洞的壽命仍然是m^3量級(jí)，與不加干預(yù)的情況一樣。通過(guò)獲取偶爾游蕩在四周的光子，我們可以將黑洞的壽命縮減一點(diǎn)點(diǎn)，但這樣的能量提取無(wú)法達(dá)到工業(yè)規(guī)模，不能讓我們饑餓的文明得到滿足。
在這種情況下，有限的光速一直是我們的對(duì)頭。由于我們不能運(yùn)動(dòng)得比光快，我們無(wú)法突破黑洞的事件視界。由于我們無(wú)法從燃料中獲取多于mc^2的能量，我們注定要將目光投向黑洞。但又由于繩子的強(qiáng)度不可能大于光速的平方乘以單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，我們又無(wú)法充分獲取黑洞的能量。
當(dāng)太陽(yáng)消失以后，我們將生活在永恒的冬天中。我們也許會(huì)注意到黑洞熱大氣中儲(chǔ)藏的龐大能源，但獲取這樣的能源必須承擔(dān)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。如果過(guò)于急切或過(guò)于深入地向黑洞下手，非但不能從黑洞那里奪取輻射粒子，手里用來(lái)?yè)屏Ｗ拥摹跋渥印狈炊鴷?huì)被黑洞奪走。