Наука на невъзможното: енергия от черните дупки
Последно: 19 юни 2024 г. в 10:24
В далечното бъдеще, когато от Вселената не остане нищо освен черни дупки, доживелите до този момент свръхцивилизации ще се налага да си спомнят минното дело.
Единственият начин за добиване на енергия ще остане хвърлянето на фотонни кофи към хоризонта са събитията. Но възможно ли е това?
Нищо не е вечно в нашата Вселена. В много далечно бъдеще, например след 1025 години, ще угаснат всички звезди, ще се разпаднат най-дълго живеещите радиоактивни атоми, квазарите ще преработят в лъчение почти целият космически газ и също ще угаснат навеки.
В бързо опустяващата от разширението на пространството Вселена ще останат черните дупки и тези студени тела (от изстиналите неутронни звезди и белите джуджета до планети и планетоиди с всякакви размери), които тези дупки не успеят да погълнат.
Във всеки случай такава съдба предвещава стандартният модел на съвременната космология. И ако във Вселената се съхранят единични, самотни (всичко заради същото разширение на пространството) цивилизации, ще им се наложи да добиват енергия от черните дупки, тъй като никакви други възможности няма да останат.
„Моята работа не излиза извън рамките на чисто мислен експеримент. По-конкретно дори не съм се опитвал да си представя какви форми на живот биха могли да преживеят угасването на звездите.
От друга страна, съм се основавал на добре разработената теория на Хогинговото лъчение и съвременните версии на теорията на струните.
Тези версии се различават една от друга, но изводите запазват своята сила във всеки случай: не можеш да стоплиш никоя цивилизация с излъчването на черните дупки.
И тук не става дума за недостиг на изобретателност, а просто за ограничения, които поставят фундаменталните закони на природата – във всеки случай, както сега ги разбираме.“
Адам Браун, физик теоретик, Станфордски университет
Да взривиш дупка
Един такъв начин е известен отдавна. Ако дупката се върти, тя, според общата теория на относителността (ОТО) повлича околното пространство. Този ефект може да се използва за получаване на енергия по чисто механичен начин.
Този начин е надежден, но не много удобен, тъй като механичната енергия не е толкова просто да се утилизира. Освен това е изключително непригоден, ако дупката не се върти или се върти прекалено бавно.
Къде по-добре е да я накараме да отстъпи малка част от енергията във вид на електромагнитно лъчение. И това е възможно – преди четиридесет години Стивън Хокинг е установил, че хоризонтът на черната дупка непрекъснато излъчва фотони, чийто спектър точно съответства на спектъра на абсолютно черно тяло.
Вярно е, че тяхната температура почти винаги е много ниска – за дупки със слънчева маса тя е 5•10-8 К, а за свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките – още милиони и милиарди пъти по-малко. Тъй като излъчващата черна дупка губи маса, тя се нагрява, свети все по-ярко и в края на краищата се взривява, отделяйки огромна енергия.
Отличен източник на енергия, нали? Но има едно „но“ – този процес е много бавен и дори скромна дупка от слънчев калибър може да стане реален източник на енергия някъде 1065 години след своето раждане. Никоя цивилизация няма да оцелее толкова.
Черпак за фотони
Но има и друга възможност, която разглежда физикът теоретик от Станфордския университет Адам Браун. Става дума за това, че околностите на черната дупка се напускат далеч не от всички частици лъчение на Хокинг. Някои от тези фотони всъщност отлитат в безкрайност, но повечето от тях се захващат от гравитационното поле на дупката и се връщат към хоризонта на събитията.
Въртенето на дупката не само не отстранява този ефект, но дори го засилва. В резултат близо до хоризонта се натрупват фотони, включително и доста горещи. Извличането им не е сложно.
Да спуснем върху здраво въже към хоризонта „черпак за фотони“ . контейнер с огледални стени, да го напълним с неговото лъчение, да го затворим и да го вдигнем. Нищо не пречи да повтаряме тази операция, превръщайки дупката в практически неизчерпаем източник на ценна лъчева енергия.
Но никаква стомана, никакви свръхздрави полимери и дори въглеродните нанотръбички, чиято здравина на много порядъци превъзхожда известните днес материали, няма да издържи натоварването – близо до дупката те ще се разкъсат просто под действието на собственото си тегло.
Затова Браун в своя модел се е спрял на най-здравия от теоретично възможните материали – усукани квантови струни. Но и това не спасило конструкцията: дори теоретично такова въже ще бъде достатъчно здраво, колкото да издържи собственото си тегло. Въжето може да се спусне към самия хоризонт и да се издърпа обратно, но няма да издържи никакъв товар.
Не може ли да се заобиколи това препятствие? Да спрем нашия асансьор близо до горната граница на лъчевата атмосфера на дупката. Фотоните там са по-малко, по-студени, но пък въжето е подложено на по-малко напрежение.
Такъв вариант е възможен, но безполезен: ефективността на черната дупка като източник на лъчение е близка до нула. Така че свръхцивилизацията на бъдещето, изглежда, я очаква безкрайно дълга студена зима.
© Популярная механика/Мегавселена
През 1974 година Стивън Хокинг, използвайки квантов подход, предсказва, че черните дупки би трябвало да изпускат лъчение с топлинен спектър. То възниква около хоризонта на събитията поради взаимодействието на вакуумните флуктуации с гравитационното поле.
Близо до хоризонта се раждат и анихилират виртуални двойки частици и античастици и е възможен случай, когато античастицата ще бъде захваната от черната дупка, а частицата ще отлети в безкрайността.
Античастицата, попаднала в черната дупка, намалява нейната пълна енергия на покой ( а значи – и маса). Поради лъчението на Хокинг черните дупки губят маса („изпаряват се“) и в края на краищата загиват, но времето на живот на дупките е на десетки порядъци повече от сегашната възраст на Вселената.
