李水旺新一期視訊是《黑洞能源》：
今天，我們要探討的是如何將人工製造的小型黑洞用作星際飛船的動力來源。
黑洞越小，釋放的能量就越多，這種能量被我們稱為霍金輻射。微型黑洞釋放的功率大致與其質量成反比平方關係，也就是說，如果存在兩個黑洞，其中一個的質量是另一個的兩倍，那麼質量較大的那個黑洞釋放的功率僅為質量較小黑洞的四分之一。由於這些微型黑洞是通過消耗自身質量來釋放能量的，所以它們最終會 「耗儘燃料」。質量較大的黑洞之所以存在時間更長，是因為它釋放的能量僅為小黑洞的四分之一，而自身質量卻是小黑洞的兩倍，因此其存在時間約為小黑洞的八倍。同理，一個質量僅為另一個黑洞十分之一的小型黑洞，釋放的功率會是前者的一百倍，但由於自身質量隻有前者的十分之一，它耗儘 「燃料」 的速度會比前者快一千倍。
不過需要說明的是，以上表述隻是一個近似值，並非精確計算得出的結果。因為我們目前能夠探測到的黑洞質量都非常大，它們釋放的輻射能量極其微弱，甚至不足以點亮一個小小的發光二極體。即便這些大質量黑洞離我們隻有月球那麼近，我們也無法探測到它們的霍金輻射，更不用說那些距離我們數百光年的黑洞了。
因此，目前我們對黑洞霍金輻射的認知僅停留在理論模型層麵，而這些理論模型實際上並不完全遵循我剛纔提到的質量與輻射功率的關係。而且，關於這一問題，目前還存在多種相互競爭的理論模型。所以，在今天的探討中，我將專門採用韋斯特莫蘭和克蘭在 2009 年發表的一篇論文中的資料。這篇論文最初就是關於黑洞飛船的研究，如果你打算對這一主題進行更深入的研究，這篇論文很可能是你會頻繁參考的文獻。
話雖如此，黑洞飛船的核心概念其實相當簡單：首先製造一個小型黑洞，其質量介於一艘航空母艦和一支小型超級油輪船隊的質量之間。一旦擁有了這種質量級別的黑洞，你就相當於擁有了一個能釋放巨大能量的物體。我們今天要討論的這類黑洞，其釋放的功率範圍大致在太陽照射到地球功率的百分之一到數倍之間。順便提一下，太陽照射到地球的功率通常被表述為幾百拍瓦（1 拍瓦等於 100 萬吉瓦）。目前，大多數大型核反應堆和水力發電大壩的發電量約為 1 吉瓦，這意味著太陽照射到地球的功率大約是我們現有最大發電廠功率的 1 億倍。而我們今天討論的這類黑洞，其釋放的功率更是比我們現有最大發電廠的功率高出數百萬倍甚至數十億倍。
我過去曾提到過一個觀點：「無武裝宇宙飛船」 本身就是一個矛盾的說法，科幻作品中常見的 「無武裝貨船遭遇襲擊」 的情節在現實中是站不住腳的，黑洞飛船的存在就是又一個例證。任何星際飛船的能量輸出都極其巨大，1 拍瓦的功率相當於每秒引爆 16 顆廣島原子彈所釋放的能量。我們今天討論的這類黑洞飛船，其功率輸出範圍在 1 拍瓦到數千拍瓦之間。即便是功率最低的黑洞飛船，即便它隻能將自身能量輸出的 1% 轉化為武器威力，每幾分鐘也足以將一座小城市夷為平地；而對於功率最高、能量轉化效率也最高的黑洞飛船來說，其破壞力堪比一挺能發射氫彈的機關槍。
顯而易見，擁有如此巨大的能量，自然也就具備了造成巨大破壞的能力。不過，黑洞釋放能量時，其輻射是向各個方向均勻擴散的，就像太陽發光一樣。通常情況下，我們可以通過在黑洞的一側設定一個屏障來改變這種輻射方向 —— 比如，讓向下輻射的光線反射到右側，這樣一來，輻射就不再是全向的了。如果使用拋物麵反射鏡，效果會更好。從概念上講，這就是最簡單的黑洞推進器原理：一個黑洞加上一個附帶的拋物麵反射鏡，飛船的其餘部分則設定在反射鏡的另一側。
事實證明，質量處於百萬噸級別的黑洞，若搭載與其質量相近的飛船，其產生的加速度和能達到的最高速度，足以讓人類在有生之年完成星際旅行（從一顆恆星抵達另一顆恆星）；即便要前往太陽係中更遙遠、更黑暗的外圍區域，也隻需數月時間。對於黑洞飛船而言，在能量利用效率極高的情況下，有一個關鍵資料需要記住：對於總質量為 1 百萬噸的飛船，要實現 1G（地球重力加速度）的加速度，每 3000 拍瓦的能量輸出是必要的條件。
儘管這個能量輸出聽起來極為龐大，但要將物體加速到接近光速，這個能量規模依然不夠驚人。接下來展示的這個表格，節選自韋斯特莫蘭和克蘭 2009 年的那篇論文，表格中計算了不同質量（以百萬噸為單位）的黑洞所對應的功率輸出（以拍瓦為單位）。在此基礎上，我額外新增了幾列資料：一列是功率質量比；另一列是當飛船（含貨物）質量與黑洞質量相等時，飛船所能達到的加速度（以 G 為單位）—— 例如，一艘總質量為 2 百萬噸的飛船，其中黑洞的質量占一半，飛船及貨物的質量占另一半；最後一列資料是飛船加速到光速的 1% 所需的時間。選擇 「光速的 1%」 這個速度節點，純粹是為了規避相對論效應的影響，因為在這個速度下，相對論效應的影響微乎其微。當物體以光速 1% 的速度運動時，時間膨脹效應導致時鐘每天僅慢幾秒；而且，在這種情況下，使用傳統的牛頓力學方程來計算速度和動能，其誤差極小，隻有在進行高精度測量時纔會顯現出來。
這一資料表格似乎表明，我們顯然更傾向於選擇質量最小的黑洞，因為它能為飛船提供最大的加速度。當然，你可能不會希望飛船的加速度達到 8.5G（這樣的加速度對人體而言難以承受），但如果我們能將飛船（不含黑洞）的質量儘可能降低到接近零，那麼飛船的加速度幾乎能再提高一倍；反之，增加飛船質量則會降低其加速度。
但問題在於，正如我之前提到的，小型黑洞的存在時間並不長，而且黑洞質量越小，其存在時間就越短。因此，表格的最後一列列出了論文中提到的各類黑洞的大致壽命。除非你能找到為黑洞 「補充燃料」 的方法 —— 比如，向黑洞中注入更多物質，否則，那些質量最小的黑洞甚至無法支撐到飛船抵達目的地。因為黑洞在釋放能量的同時會不斷損失質量，而質量的損失又會導致它釋放能量的速度加快、質量損失的速度也進一步加快，最終，黑洞會變得極小且能量極高，直至發生劇烈 「爆炸」（完全蒸發）。
所以，如果你的黑洞質量不足以支撐整個航程，那麼在黑洞完全蒸發後，飛船就會失去動力來源，當你抵達目的地時，也就無法減速。不過，這一問題並非無法解決。我們討論過一些無需消耗燃料就能讓飛船減速的方法，其中一種便是 「巴薩德衝壓發動機」的概念。這種發動機的設計思路是：通過磁場收集星際空間中的氫原子，然後將這些氫原子壓縮到飛船的軸向通道中，引發核聚變反應，從而產生推進力。
但事實證明，這種概念在現實中並不可行。因為通過計算我們發現，星際空間中的氫原子相對於星際空間本身幾乎是靜止的，當飛船吸收這些氫原子時，氫原子對飛船產生的減速效應，反而比其通過核聚變產生的推進力更大 —— 這無疑是一個令人遺憾的結果。但凡事都有兩麵性，這個發現也帶來了一個 「意外之喜」：儘管我們無法利用巴薩德衝壓發動機為飛船加速，但卻可以利用它來為飛船免費減速。
因此，你可以先用壽命較短的黑洞將飛船加速到巡航速度，然後在抵達目的地時，利用巴薩德衝壓發動機的原理來減速。而在整個航程中，你可以使用更常規的能源（如核反應堆，如果掌握了核聚變技術，就用核聚變反應堆；如果冇有，就用傳統的核裂變反應堆）為飛船供能。當然，在星際旅行所需的高速（軍事級別的速度）下，維持生命支援係統所需的能量，隻占整個星際旅行總能量消耗的極小一部分。
此外，利用 「磁場衝壓收集」 技術，還有一種潛在的用途：收集星際空間中的金屬物質，並將這些金屬物質注入黑洞，為黑洞 「補充燃料」。不過，這種方式並不能讓飛船獲得無限的加速度。因為最終，飛船會達到這樣一個速度：即便黑洞能將注入的金屬物質完全轉化為能量，其產生的推進力也無法抵消因吸收星際空間中低速物質而帶來的動量損失。但即便如此，這種方式仍能讓飛船達到極高的速度，並且能讓黑洞持續存在。
然而，為黑洞 「補充燃料」 說起來容易，做起來卻很難，而且黑洞的質量越小，「補充燃料」 的難度就越大。我曾提到過，為小型黑洞補充燃料比製造一個小型黑洞本身還要困難。同時，我還提出，製造小型黑洞的最佳方法或許是使用大量雷射器：將多束雷射的能量在同一時刻精準地聚焦到同一個點上，這個聚焦點要比原子的原子核還要小得多。
這種製造黑洞的概念被稱為 「光球黑洞」，「Kugelblitz」 在德語中意為 「球狀閃電」。各位觀眾，之所以選擇這種方式製造黑洞，是因為我們要製造的是一個微小的 「光球」—— 光由光子構成，光子與普通物質不同，它可以被無限壓縮，不會像普通物質那樣因壓縮而產生抗拒力，因此，用光子製造黑洞會相對容易一些。
要製造一個光球黑洞，從物理學角度來看，最大的難點在於需要極其巨大的能量和極高的精度。如果換成用普通物質（比如星際空間中的氫原子）來製造黑洞，難度會更大。因為你需要將這些物質壓縮到極高的壓力和溫度，其所需的壓力和溫度甚至遠遠超過核聚變反應的要求，這無疑是一項極具挑戰性的任務，尤其是在不投入更多能量的情況下，幾乎無法實現。
同樣的問題也存在於為飛船上的黑洞補充燃料：你無法用雷射器為黑洞補充燃料，因為製造這些雷射器所消耗的能量，會比黑洞從雷射器能量中獲得的 「燃料」（能量）還要多。而且，黑洞的質量越小，用普通物質為其補充燃料的難度就越大 —— 你需要將這些物質壓縮到更小的空間中，同時還要克服黑洞更強的能量輸出對這些物質產生的排斥力。
我曾用一個比喻來形容這種難度：這就好比試圖將一個沙灘球塞進正在噴射水流的消防水管噴嘴裡。而通過 「光球」 方式製造黑洞，其本質是利用一個龐大的能量收集器集群，將多束雷射在同一時刻精準地聚焦到同一個點上。從這個角度來說，我們可以將太陽視為製造宇宙飛船所需黑洞的 「能量發生器」。要實現這一點，需要極高的精度和規模龐大的太陽能收集器，但從理論上講，這並不違背任何已知的物理定律。相比之下，在航行途中通過收集星際氫原子為黑洞補充燃料的方法，在物理層麵上很可能是行不通的，因此，在航行途中為黑洞補充燃料或許並不可行。
除此之外，我們還麵臨一個問題：黑洞會釋放出能量極高的粒子（如伽馬射線），這使得我們很難反射這些輻射來利用其能量。因此，你不能簡單地用高反射率的材料將黑洞包裹起來，讓輻射反射回黑洞內部並被重新吸收。目前，我們還冇有找到任何一種材料能夠有效反射伽馬射線。如果我們能找到這樣的材料，情況將會大為改觀 —— 我們可以製造一個 「節流閥」，通過讓一部分輻射反射回黑洞，來降低黑洞的能量輸出，從而延長其壽命。
另外，由於冇有能反射伽馬射線的材料，我們隻能在黑洞釋放伽馬射線時將其全部吸收，並利用這些射線將某種材料加熱到接近其熔點的溫度。基於此，我們可以在黑洞周圍設定一個球體或半球體的 「吸收殼」，當吸收殼吸收伽馬射線後，會變得熾熱通紅，並釋放出普通的可見光，這些可見光隨後可以被拋物麵反射鏡反射（進而產生推進力）。
但不幸的是，「吸收殼」 的大小與黑洞的能量輸出成正比：能量輸出越高，所需的吸收殼麵積就越大。鎢是目前已知熔點最高的元素，其熔點約為 3700 開爾文，在不熔化的前提下，鎢材料每平方米大約能承受 10 兆瓦的能量輻射。不過，由於吸收殼可以雙向散熱（從內外兩側同時輻射熱量），所以實際上，每處理 1 拍瓦（PW）的能量，大約需要 5000 萬平方米的鎢材料。