李水旺新一期视频是《黑洞能源》：
今天，我们要探討的是如何將人工製造的小型黑洞用作星际飞船的动力来源。
黑洞越小，释放的能量就越多，这种能量被我们称为霍金辐射。微型黑洞释放的功率大致与其质量成反比平方关係，也就是说，如果存在两个黑洞，其中一个的质量是另一个的两倍，那么质量较大的那个黑洞释放的功率仅为质量较小黑洞的四分之一。由於这些微型黑洞是通过消耗自身质量来释放能量的，所以它们最终会“耗尽燃料”。质量较大的黑洞之所以存在时间更长，是因为它释放的能量仅为小黑洞的四分之一，而自身质量却是小黑洞的两倍，因此其存在时间约为小黑洞的八倍。同理，一个质量仅为另一个黑洞十分之一的小型黑洞，释放的功率会是前者的一百倍，但由於自身质量只有前者的十分之一，它耗尽“燃料”的速度会比前者快一千倍。
不过需要说明的是，以上表述只是一个近似值，並非精確计算得出的结果。因为我们目前能够探测到的黑洞质量都非常大，它们释放的辐射能量极其微弱，甚至不足以点亮一个小小的发光二极体。即便这些大质量黑洞离我们只有月球那么近，我们也无法探测到它们的霍金辐射，更不用说那些距离我们数百光年的黑洞了。
因此，目前我们对黑洞霍金辐射的认知仅停留在理论模型层面，而这些理论模型实际上並不完全遵循我刚才提到的质量与辐射功率的关係。而且，关於这一问题，目前还存在多种相互竞爭的理论模型。所以，在今天的探討中，我將专门採用韦斯特莫兰和克兰在2009年发表的一篇论文中的数据。这篇论文最初就是关於黑洞飞船的研究，如果你打算对这一主题进行更深入的研究，这篇论文很可能是你会频繁参考的文献。
话虽如此，黑洞飞船的核心概念其实相当简单：首先製造一个小型黑洞，其质量介於一艘航空母舰和一支小型超级油轮船队的质量之间。一旦拥有了这种质量级別的黑洞，你就相当於拥有了一个能释放巨大能量的物体。我们今天要討论的这类黑洞，其释放的功率范围大致在太阳照射到地球功率的百分之一到数倍之间。顺便提一下，太阳照射到地球的功率通常被表述为几百拍瓦（1拍瓦等於100万吉瓦）。目前，大多数大型核反应堆和水力发电大坝的发电量约为1吉瓦，这意味著太阳照射到地球的功率大约是我们现有最大发电厂功率的1亿倍。而我们今天討论的这类黑洞，其释放的功率更是比我们现有最大发电厂的功率高出数百万倍甚至数十亿倍。
我过去曾提到过一个观点：“无武装宇宙飞船”本身就是一个矛盾的说法，科幻作品中常见的“无武装货船遭遇袭击”的情节在现实中是站不住脚的，黑洞飞船的存在就是又一个例证。任何星际飞船的能量输出都极其巨大，1拍瓦的功率相当於每秒引爆16颗广岛原子弹所释放的能量。我们今天討论的这类黑洞飞船，其功率输出范围在1拍瓦到数千拍瓦之间。即便是功率最低的黑洞飞船，即便它只能將自身能量输出的1%转化为武器威力，每几分钟也足以將一座小城市夷为平地；而对於功率最高、能量转化效率也最高的黑洞飞船来说，其破坏力堪比一挺能发射氢弹的机关枪。
显而易见，拥有如此巨大的能量，自然也就具备了造成巨大破坏的能力。不过，黑洞释放能量时，其辐射是向各个方向均匀扩散的，就像太阳发光一样。通常情况下，我们可以通过在黑洞的一侧设置一个屏障来改变这种辐射方向——比如，让向下辐射的光线反射到右侧，这样一来，辐射就不再是全向的了。如果使用拋物面反射镜，效果会更好。从概念上讲，这就是最简单的黑洞推进器原理：一个黑洞加上一个附带的拋物面反射镜，飞船的其余部分则设置在反射镜的另一侧。
事实证明，质量处於百万吨级別的黑洞，若搭载与其质量相近的飞船，其產生的加速度和能达到的最高速度，足以让人类在有生之年完成星际旅行（从一颗恆星抵达另一颗恆星）；即便要前往太阳系中更遥远、更黑暗的外围区域，也只需数月时间。对於黑洞飞船而言，在能量利用效率极高的情况下，有一个关键数据需要记住：对於总质量为1百万吨的飞船，要实现1g（地球重力加速度）的加速度，每3000拍瓦的能量输出是必要的条件。
儘管这个能量输出听起来极为庞大，但要將物体加速到接近光速，这个能量规模依然不够惊人。接下来展示的这个表格，节选自韦斯特莫兰和克兰2009年的那篇论文，表格中计算了不同质量（以百万吨为单位）的黑洞所对应的功率输出（以拍瓦为单位）。在此基础上，我额外添加了几列数据：一列是功率质量比；另一列是当飞船（含货物）质量与黑洞质量相等时，飞船所能达到的加速度（以g为单位）——例如，一艘总质量为2百万吨的飞船，其中黑洞的质量占一半，飞船及货物的质量占另一半；最后一列数据是飞船加速到光速的1%所需的时间。选择“光速的1%”这个速度节点，纯粹是为了规避相对论效应的影响，因为在这个速度下，相对论效应的影响微乎其微。当物体以光速1%的速度运动时，时间膨胀效应导致时钟每天仅慢几秒；而且，在这种情况下，使用传统的牛顿力学方程来计算速度和动能，其误差极小，只有在进行高精度测量时才会显现出来。
这一数据表格似乎表明，我们显然更倾向於选择质量最小的黑洞，因为它能为飞船提供最大的加速度。当然，你可能不会希望飞船的加速度达到8.5g（这样的加速度对人体而言难以承受），但如果我们能將飞船（不含黑洞）的质量儘可能降低到接近零，那么飞船的加速度几乎能再提高一倍；反之，增加飞船质量则会降低其加速度。
但问题在於，正如我之前提到的，小型黑洞的存在时间並不长，而且黑洞质量越小，其存在时间就越短。因此，表格的最后一列列出了论文中提到的各类黑洞的大致寿命。除非你能找到为黑洞“补充燃料”的方法——比如，向黑洞中注入更多物质，否则，那些质量最小的黑洞甚至无法支撑到飞船抵达目的地。因为黑洞在释放能量的同时会不断损失质量，而质量的损失又会导致它释放能量的速度加快、质量损失的速度也进一步加快，最终，黑洞会变得极小且能量极高，直至发生剧烈“爆炸”（完全蒸发）。
所以，如果你的黑洞质量不足以支撑整个航程，那么在黑洞完全蒸发后，飞船就会失去动力来源，当你抵达目的地时，也就无法减速。不过，这一问题並非无法解决。我们討论过一些无需消耗燃料就能让飞船减速的方法，其中一种便是“巴萨德衝压发动机”的概念。这种发动机的设计思路是：通过磁场收集星际空间中的氢原子，然后將这些氢原子压缩到飞船的轴向通道中，引发核聚变反应，从而產生推进力。
但事实证明，这种概念在现实中並不可行。因为通过计算我们发现，星际空间中的氢原子相对於星际空间本身几乎是静止的，当飞船吸收这些氢原子时，氢原子对飞船產生的减速效应，反而比其通过核聚变產生的推进力更大——这无疑是一个令人遗憾的结果。但凡事都有两面性，这个发现也带来了一个“意外之喜”：儘管我们无法利用巴萨德衝压发动机为飞船加速，但却可以利用它来为飞船免费减速。
因此，你可以先用寿命较短的黑洞將飞船加速到巡航速度，然后在抵达目的地时，利用巴萨德衝压发动机的原理来减速。而在整个航程中，你可以使用更常规的能源（如核反应堆，如果掌握了核聚变技术，就用核聚变反应堆；如果没有，就用传统的核裂变反应堆）为飞船供能。当然，在星际旅行所需的高速（军事级別的速度）下，维持生命支持系统所需的能量，只占整个星际旅行总能量消耗的极小一部分。
此外，利用“磁场衝压收集”技术，还有一种潜在的用途：收集星际空间中的金属物质，並將这些金属物质注入黑洞，为黑洞“补充燃料”。不过，这种方式並不能让飞船获得无限的加速度。因为最终，飞船会达到这样一个速度：即便黑洞能將注入的金属物质完全转化为能量，其產生的推进力也无法抵消因吸收星际空间中低速物质而带来的动量损失。但即便如此，这种方式仍能让飞船达到极高的速度，並且能让黑洞持续存在。
然而，为黑洞“补充燃料”说起来容易，做起来却很难，而且黑洞的质量越小，“补充燃料”的难度就越大。我曾提到过，为小型黑洞补充燃料比製造一个小型黑洞本身还要困难。同时，我还提出，製造小型黑洞的最佳方法或许是使用大量雷射器：將多束雷射的能量在同一时刻精准地聚焦到同一个点上，这个聚焦点要比原子的原子核还要小得多。
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这种製造黑洞的概念被称为“光球黑洞”，“kugelblitz”在德语中意为“球状闪电”。各位观眾，之所以选择这种方式製造黑洞，是因为我们要製造的是一个微小的“光球”——光由光子构成，光子与普通物质不同，它可以被无限压缩，不会像普通物质那样因压缩而產生抗拒力，因此，用光子製造黑洞会相对容易一些。
要製造一个光球黑洞，从物理学角度来看，最大的难点在於需要极其巨大的能量和极高的精度。如果换成用普通物质（比如星际空间中的氢原子）来製造黑洞，难度会更大。因为你需要將这些物质压缩到极高的压力和温度，其所需的压力和温度甚至远远超过核聚变反应的要求，这无疑是一项极具挑战性的任务，尤其是在不投入更多能量的情况下，几乎无法实现。
同样的问题也存在於为飞船上的黑洞补充燃料：你无法用雷射器为黑洞补充燃料，因为製造这些雷射器所消耗的能量，会比黑洞从雷射器能量中获得的“燃料”（能量）还要多。而且，黑洞的质量越小，用普通物质为其补充燃料的难度就越大——你需要將这些物质压缩到更小的空间中，同时还要克服黑洞更强的能量输出对这些物质產生的排斥力。
我曾用一个比喻来形容这种难度：这就好比试图將一个沙滩球塞进正在喷射水流的消防水管喷嘴里。而通过“光球”方式製造黑洞，其本质是利用一个庞大的能量收集器集群，將多束雷射在同一时刻精准地聚焦到同一个点上。从这个角度来说，我们可以將太阳视为製造宇宙飞船所需黑洞的“能量发生器”。要实现这一点，需要极高的精度和规模庞大的太阳能收集器，但从理论上讲，这並不违背任何已知的物理定律。相比之下，在航行途中通过收集星际氢原子为黑洞补充燃料的方法，在物理层面上很可能是行不通的，因此，在航行途中为黑洞补充燃料或许並不可行。
除此之外，我们还面临一个问题：黑洞会释放出能量极高的粒子（如伽马射线），这使得我们很难反射这些辐射来利用其能量。因此，你不能简单地用高反射率的材料將黑洞包裹起来，让辐射反射回黑洞內部並被重新吸收。目前，我们还没有找到任何一种材料能够有效反射伽马射线。如果我们能找到这样的材料，情况將会大为改观——我们可以製造一个“节流阀”，通过让一部分辐射反射回黑洞，来降低黑洞的能量输出，从而延长其寿命。
另外，由於没有能反射伽马射线的材料，我们只能在黑洞释放伽马射线时將其全部吸收，並利用这些射线將某种材料加热到接近其熔点的温度。基於此，我们可以在黑洞周围设置一个球体或半球体的“吸收壳”，当吸收壳吸收伽马射线后，会变得炽热通红，並释放出普通的可见光，这些可见光隨后可以被拋物面反射镜反射（进而產生推进力）。
但不幸的是，“吸收壳”的大小与黑洞的能量输出成正比：能量输出越高，所需的吸收壳面积就越大。钨是目前已知熔点最高的元素，其熔点约为3700开尔文，在不熔化的前提下，钨材料每平方米大约能承受10兆瓦的能量辐射。不过，由於吸收壳可以双向散热（从內外两侧同时辐射热量），所以实际上，每处理1拍瓦（）的能量，大约需要5000万平方米的钨材料。