可控核聚變？在黑洞面前也是弟能量……

袁業飛老師的黑洞系列第三期來啦！（前兩期請參考：參與了首張黑洞照片拍攝的中國科學家，怎麼解讀這張照片？| 科技袁人plus、我40年前訪問中國，見證了一場中國科技的「長征」 | 科技袁人plus）

這一期當中，袁老師進一步為我們揭示了黑洞一些不被大家熟悉的特性。比如，大家說起黑洞就會聯想到「吞噬」，於是很容易把黑洞等同於毀滅的概念。但事實上，黑洞是一種極為高效的能源！黑洞可以提供的能量大到什麼程度？人類現在苦苦研究的可控核聚變，已經是地球上能量轉化率最高的方式，可以轉化質量0.7%的能量；而黑洞能夠轉化40%！而且這還不是黑洞所能釋放的全部。所以袁業飛老師也說了，我們在宇宙中觀測到的大部分輻射、能源都應該來自於黑洞！這樣就出現了一個有趣的結論：「照亮」宇宙的其實就是黑洞！當然，人類仍舊迫切需要可控核聚變，因為你連「衝出地球，移民宇宙」的目標都實現不了的話，就不要還想著用上黑洞能量了……

很長時間以來，普通人對黑洞的認知可能停留在一種感覺新奇有趣的階段，但隨著科學家對一種新事物了解得越深入，就會發現越多對我們有著重大意義的知識，而這種收穫大部分是沒法預料的。正如袁業飛老師所說，如果人類是只考慮眼前的物種，那麼我們當然不需要去研究什麼黑洞，因為可能還要過很久，人類才可以真正接觸到與黑洞有關的實際問題；但幸而，人類是會不斷向前探索並且渴望了解自己未來的物種，所以我們才能從地球生物當中脫穎而出，然後進一步飛向宇宙。因此，我們才會望向星辰，去思考太陽、銀河和黑洞這些看似遙不可及，卻映證著我們生而為人價值的遠大目標。

視頻鏈接

嗶哩嗶哩：

https://www.bilibili.com/video/av60581312

部分評論

很大包子：

智慧生物的情懷

懲惡揚善發大財：

我覺得這期最感人的是袁老師為了我們堪憂的理解能力，自我強行降智，問了一些他本來就知道的東西，還假裝非常驚訝。

虎豹騎的幸運星：

感謝袁老師這次找來黑洞領域專家做科普 對我很有啟發

訪談原文

袁亞飛：

Ruffini教授給我們分享了一下他發明黑洞這個詞的一個簡史。我簡單地總結一下，愛因斯坦的廣義相對論是1915年發表的，1915年愛因斯坦發表了愛因斯坦場方程，1916年史瓦西就得到了這個場方程的一個數學解。之後很長一段時間都沒有人繼續在這個方向做研究。一直到了60年代，人們才研究清楚了這個解的時空性質，但是到此為止，大家並沒有把它當做一個可能的這樣一個天體，只是從數學角度來說，在研究這樣一個解的性質。往期Ruffini他已經介紹了就是說從1971年開始，他和他的博士後導師Wheeler教授一道提出了黑洞的概念，也就是說黑洞有可能是我們宇宙當中存在的一個真實的天體，而且我們可以從黑洞提取能源，能夠解釋我們的高能的天文現象。

袁嵐峰：

黑洞一下子從一個數學遊戲變成一個真實的天體，而且可能有很大的潛在的應用前景。

袁亞飛：

那麼研究黑洞的意義在什麼地方，首先黑洞是一個宇宙裡面非常奇特的一個天體，它奇特在什麼地方，它有一個視界，所有的物質落到黑洞視界裡面就出不來了。

袁嵐峰：

是，連香港記者都跑不出去。

袁亞飛：

黑洞的另外一個重要的意義就是說，牛頓力學和廣義相對論最大的區別，是在強引力場的情況下，也就是說在太陽系裡面，你用牛頓力學和廣義相對論討論問題，它們的差別是微乎其微的。雖然我們從精密的實驗可以把它區分開來。

袁嵐峰：

像水星近日點進動這樣的極少數的例子。

袁亞飛：

但是不管怎麼說，在太陽系裡面，這個時空彎曲是非常小的，廣義相對論和牛頓力學最大的區別是，我能夠預言有強引力場存在的地方，如果你要研究強引力場下的物理現象物理過程，那你要找一個強引力場的實驗室。

袁嵐峰：

是，這就是一個例子。

袁亞飛：

那黑洞就是一個研究強引力場物理的一個實驗室。

袁嵐峰：

廣義相對論的前50年，大家都主要是做了一些「定量」的預測，從他那個時代開始，大家才開始關心那些真正「定性」的區別。

袁亞飛：

就是我真正的把這個黑洞當成一個宇宙裡面可能存在的天體在認真地研究，用黑洞來解釋理解物理宇宙中存在的天文現象。

袁嵐峰：

自從黑洞這個概念出現之後，人們就發現這個黑洞其實普遍存在於宇宙很多地方，比方說每個星系的中心似乎都應該有個巨型的黑洞是吧。

袁亞飛：

而且我們的每個星系裡面應該有上百萬甚至上千萬的和太陽質量同量級的黑洞，那麼也就是黑洞在宇宙裡面是普遍存在的。還有一個很重要的意義是，黑洞其實是我們宇宙裡面絕大部分能量的來源。我們在地球上面絕大部分能源其實來自於太陽的熱核聚變，那麼我們現在發現用熱核聚變作為能源來解釋我們宇宙裡面的大多數的輻射能源是不夠的。

袁嵐峰：

哦，這是一般人沒有想到的，我們只會把黑洞當成一個吞噬一切的這麼一個物體，沒想到它還是個能源。

袁亞飛：

對，它吞噬的過程當中它會釋放引力能，這個釋放引力能的產能的效率是我們熱核反應產能率的十倍，甚至於一百倍左右。

袁嵐峰：

我頭一次聽到這個之後確實非常驚訝，因為我們的口號我們整天喊道，我們要發展可控核聚變，飛出地球移民宇宙。然後忽然發現，哎呦，原來這還有一個比可控核聚變還要更強的一個能源，就是黑洞向外的噴流。

袁亞飛：

黑洞提供了一個很深的引力勢阱，物體一旦落到這個很深的引力勢阱釋放引力能，它的產能率要遠大於我們的熱核聚變產生的能量。

袁嵐峰：

可以給大家一些定量的數據，就是根據愛因斯坦質能方程質量是可以轉換成能量的，我們平時用的化學反應其實只有非常非常小几乎可以忽略不計的質量轉化成能量。然後核聚變是我們平時可以用到的所有的過程當中轉化率最高的。比方說一個氘加上氚轉化成氦，這個過程大概有0.7%的質量轉化成能量，這已經是非常高了。但是結果黑洞噴流，它的能量轉化率可以達到40%，我第一次聽到這樣一個數字的時候，簡直驚呆了。

袁亞飛：

而且這個40%的能量只是來自於黑洞的轉動能，也就是說我不需要任何物質的，只是因為黑洞轉慢了，它釋放的能量能夠達到40%。黑洞是個非常簡單的天體，它又能夠釋放大量的能量。而我們現在的天文觀測也的確證明，我們宇宙裡面絕大部分的輻射能源應該來自於黑洞。

袁嵐峰：

黑洞是驅動我們宇宙演化最強大的一個能源。

袁亞飛：

也就是黑洞照亮了宇宙。

袁嵐峰：

這個聽起來很具有哲學范兒，一個最黑的東西照亮了這個宇宙。

袁亞飛：

對，還有另外一方面就是說我們現在的研究表明，幾乎每個星系中心都有一個甚至兩個三個超大質量黑洞。黑洞的存在，它又會影響整個星系的演化，星系的演化和黑洞的增長吞噬物質的增長，它們兩個是相互調製的。我們太陽系在銀河系裡面，原則上黑洞是會影響我們太陽系的演化，它和我們的生活其實是相關的。如果你在一個很大的時間尺度上來看的話，其實黑洞是影響人類的。

袁嵐峰：

很多人對黑洞的理解就是它只進不出，它永遠都只會吞噬，不會吐出來任何東西，這種結果豈不是整個宇宙都會被黑洞吞噬嗎？

袁亞飛：

這個不用擔心，因為物質要被黑洞吞噬的話，你的角動量比較小，你幾乎是自由落體到黑洞裡面去的，但是實際上情況並不是這樣。比方說太陽系，它是圍繞我們銀河系中心在做軌道運動的，除非你讓太陽系剎車，但是我們缺少這樣一種機制，你說的是所有物質都剎車的情況下發生的事情。

袁嵐峰：

我們既然說到黑洞是宇宙當中最強能源，那麼我們怎麼才能利用這種能源呢？

袁亞飛：

黑洞釋放能源它有兩個渠道，一個是它的引力能，就像從高樓上面扔一個石子到地面，它會把引力勢能釋放變成粒子的動能，動能粒子之間相互碰撞的話，會變成熱能釋放出來，這是釋放能量的一個渠道，就是釋放引力能。另外，黑洞它有可能是自轉的，轉動黑洞之間有一個所謂的能層，一個粒子，假設它落到這個能層裡面去，一分為二，有一個粒子它的能量會變成負能量的，另外一個粒子的能量就會比原來入射的粒子的能量還要大，能量更大的那個粒子如果跑出能層到我們宇宙裡面去的話，它的能量就更高。

袁嵐峰：

相當於從黑洞拿到了能量。

袁亞飛：

能量總是守恆的，那這個能量從哪地方來的呢？實際上在能層裡面存在負能態的粒子，它和黑洞是反轉的，它必須是反轉的，那麼它落到黑洞裡面去的話，因為轉動角動量守恆，這個黑洞就會轉得慢一點。我們從初態和末態的效果來看的話，初態就是入射一個粒子能量，末態就是出來一個更高能量的粒子和轉得更慢的黑洞。從黑洞提取能量的根源，實際上是提取的黑洞的轉動能。

袁嵐峰：

最終效果就是你掠過了黑洞，然後你飛得更快了然後黑洞轉得慢了一點。我記得我小時候印象特深的有一部科幻小說，是鄭文光的叫做《飛向人馬座》，裡面一個最核心的情節，我印象最深的就是這樣，他們是駕駛一架已經沒有燃料的失去動力的飛船，然後飛出太陽系，然後碰到一個黑洞，說這完蛋了。結果他們想了個辦法，就是用剩下那一點點的火箭燃料，做一個加速，用黑洞給他們加速，然後繞回來了，他們又飛回了太陽系。這是整個故事裡面最激動人心的一個情節。

袁亞飛：

這個物理基礎就是從黑洞提取了轉動能。

袁嵐峰：

是，所以我非常高興，過了這麼多年之後，終於聽袁業飛老師介紹，終於知道了這個機制。真希望如果有一天這個能夠拍成電影，應該是非常exciting的。那麼您從事天文學的研究和教育這麼多年，您最大的感受是什麼。

袁亞飛：

我覺得最早從很多科普書裡面，我了解到了我們身上，比方說鐵是來自於超新星爆炸，這對我來說就是一個震撼。

袁嵐峰：

是，在這個意義上，我們所有人都是恆星的孩子，沒有上一代的恆星就不可能有重元素，就不可有新的生命。

袁亞飛：

對，我覺得學天文給我最大的感觸就是我的視野更開闊，我放在一個宇宙的角度來思考人類地球在宇宙中的地位。

袁嵐峰：

是的。

袁亞飛：

比方說我們從時間的尺度來說，我們宇宙有136億年，和我們的人的壽命比是很長的，這是從時間的跨度。從空間的跨度來說，我們的宇宙也是至少是大於136億光年，這麼大的這樣一個尺度。從溫度的角度來說，從能量的角度來說，我們地球上的溫度都在零度附近，因為生命需要水，但是在我們宇宙裡面有極端低溫的，也有極端高溫的。另外，我們宇宙裡面充滿了各種各樣的極端的物理條件，比方說我們科學島上有強磁場裝置，這個強磁場裝置在我們天文領域其實算不上強磁場，因為它只有幾個特斯拉。

袁嵐峰：

沒錯。

袁亞飛：

我們在中子星表面可以達到10的11次方特斯拉。

袁嵐峰：

天哪，真是無法想像。

袁亞飛：

還有我們談到的黑洞，我們在地球上是一個引力，也是在地球的引力場裡面，我們也在地球的引力場裡面活動，但是這個引力是非常弱的，也就說這個引力非常弱的意思，也就是這個時空彎曲是非常小的，而我們拍到的黑洞周圍的時空彎曲是非常大的。隨著我們對宇宙規律認識的深入，隨著我們在宇宙中的活動範圍越來越大，實際上我們不可避免地要用到我們的天文知識。

袁嵐峰：

是，如果我們不在乎人類在宇宙當中是什麼地位倒也罷了，懵懵懂懂過了一生倒也罷了。

袁亞飛：

或者你安於現狀，你也不想讓地球流浪，那你就不需要這些知識，那你就等著50億年以後自生自滅。

袁嵐峰：

嗯是的。沒錯。如果我們還想作為一個有主觀能動性的智慧生命的話，我們就應該做點什麼，我們就應該去認識這個世界。

袁亞飛：

我們要在一個很長的時間尺度裡面來居安思危，來思考這樣一個事情。那麼你就會在意太陽的壽命，你會在意地球在銀河系裡的位置，你就會在意銀河系裡有沒有黑洞，宇宙裡面有沒有黑洞。我們可以從另外一個角度說，如果人類還依然活動在樹上的時候，那麼我們並不關心地球是繞著太陽轉還是太陽繞著地球轉，但是作為一個智慧生物，我們不能不了解地球在宇宙中的位置，我們不能不了解宇宙的演化，不能不了解宇宙中存在超大質量的黑洞。

袁嵐峰：

是的，所以這些問題並不是離我們遙不可及或者只是一個茶餘飯後的談資，實際上是跟我們生死攸關，真正具有最核心重要性的問題，我們應該有這種世界觀。

袁亞飛：

黑洞存在包括其他的宇宙裡面的天體的存在，物理規律的存在，它是個客觀事實，我們人類就是要了解這些客觀事實、客觀規律，為我們所用。當然了，你要用這些規律可能需要一個很長的時間。

看到這裡的觀眾，有份驚喜要送給你！有請Remo Ruffini教授返場！

（Remo Ruffini，「黑洞」概念發明者，國際相對論天體物理中心主任）

人們出於政治原因不願意去蘇聯。1969年，有一場會議在第比利斯舉行，他們說服了惠勒讓我們去參加，這是惠勒和我第一次去蘇聯，一切充滿了冒險性。

即便在前往蘇聯的飛機上，都發生了一段故事。那架飛機上，外國人的座位旁是沒有窗戶的，登上飛機之後，他們讓我坐到前面去，我告訴他們，我和我的美國朋友在一起，我們一起往商務艙走去。當我們走到前面時發現，那裡的座位沒有窗戶，看不到外面。我佷惱火，但在我和我的美國朋友庫馬爾之間，還坐著一個人。起飛兩小時後，飛機忽然急速下降，我們都很害怕，因為飛機遇上了風暴，飛機遭遇迫降，第二天再繼續飛行。乘客被告知，要在一個小機場里過夜。

我們走下飛機，那位坐在我們中間的男士，一個人坐在機場里。我走近他，我說，我是魯菲尼，義大利人。他說，我是薩哈羅夫，蘇聯人。他就是薩哈羅夫，那個坐在我們中間的人，這是我和薩哈羅夫的第一次會面，自此開啟了這麼多年的友誼。

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