山洞与黑洞间的文明——如何从黑洞里提取能量？ | 关贯之、尉迟和妘|关贯之|宇宙线起源|尉迟|磁场|等离子体|粒子|黑洞

「所以你是在研究怎么从黑洞发电吗？」

最近，一位在北京大学念物理的学妹尉迟和妘回台湾找我，聊起了她刚发表的两篇论文。她研究的是什么呢？我听了半天才大致理出头绪，于是问出这句话：「所以你是在研究怎么从黑洞发电吗？」

她想了想，笑着说：「应该说，是研究怎么从黑洞提取能量的理论模型。」

我不禁惊讶：「这……是我们这个时代的研究吗？感觉这种理论的应用，要等到人类掌握恒星级航行技术之后了吧？」

她点点头，又补充：「离我们最近的黑洞大约在1500光年外，确实应用上还很遥远。但应用的远近并不该限制基础理论的发展，而且这类研究对我们理解天体观测现象非常有帮助。」

当晚回到家，我的脑海仍挥之不去她描述的那个场景：在旋转黑洞边缘，等离子体中的磁场发生剧烈变化，一部分物质被加速抛向远方，而另一部分则落入黑洞。她特别跟我说，这些被带走的能量是真真正正来自黑洞本身——不是吸积盘的加热、不是磁场爆发释放的能量，也不是单纯的引力位能，而是来自黑洞的旋转。更准确地说，是来自被黑洞拖曳的时空本身：当某些物质以特殊方式落入黑洞时，它带走了「负能量」，黑洞因此微微减速，而外界则得到额外能量，也就是说，我们取走的不是物质的能量，而是黑洞旋转本身的一部分。

我平常做的是生物力学的研究，早已习惯一切要能量测、能应用、能模拟。但这次，我被这种似乎是写给未来的理论深深吸引——彷佛是我们这个世代对未来人类留下一封自豪的宣言。

于是，我在尉迟和妘的协助下，将她的研究写成这篇科普文章。这是关于磁场、等离子体与黑洞旋转的研究，也是我们时代对未来文明发出的微弱星光。

科学漫画工作室绘制。剧情为科普需要虚构，演绎黑洞能量提取理论进展。实际上具有恒星级航行能力及黑洞能量提取技术的文明应该早就有这样的知识基础。

诺贝尔奖得主开启的领域

「从黑洞提取能量」的科学构想，并不是尉迟和妘所在的北大物理团队首创。2020年诺贝尔物理学奖得主 Roger Penrose 早在 1969 年便开始思考：是否可能从一个连光都无法逃离的天体中取出能量？

旋转黑洞周围存在一个称为「能层（ergosphere）」的区域，时空在此被黑洞拖着旋转，使任何物质都无法静止，必须随着时空一起转动。Penrose 在分析这一性质时注意到，在能层中粒子对无穷远处的观察者所定义的能量可以为负。若一个粒子在此发生相互作用并分裂为两部分（或与其他粒子交换动量），其中一部分具有负能量并落入黑洞，另一部分便能带着比原先更多的能量逃离。外界多得到的能量并非凭空产生：当具有负能量的物质落入黑洞时，黑洞的角动量与质量会略微减少，其旋转也随之变慢。这种使黑洞旋转能转移到外界的过程，称为彭罗斯过程（Penrose process）。

1977 年，Roger Blandford 与 Roman Znajek 指出，能量提取并不一定需要粒子分裂。若黑洞周围的等离子体携带磁场，时空被旋转黑洞拖曳，使电磁场在视界与远方之间建立起电位差，并形成向外传递的电磁能流。等离子体在此提供导电环境，使电流得以存在，而电磁场则沿着磁场线把黑洞的旋转能持续输送到远方。这一过程被称为 Blandford–Znajek 机制。

到了 2021 年，Luca Comisso 与 Felipe Asenjo 提出一种更具体的情境：在黑洞附近的高磁化等离子体中，很有可能会发生快速磁重联。而快速磁重联的发生会产生一对等离子体团（plasmoids）。其中一团可能以对无穷远处的观察者而言为负的能量状态落入黑洞，而另一团则带着增加的能量逃离。换言之，磁重联提供了一个实际的等离子体动力学过程，使 Penrose 所描述的能量交换可以在真实天体环境中发生。

而尉迟和妘的研究，正是在此基础上进行更深入的分析。她们的团队不再假设等离子体沿着理想的圆形轨道稳定绕行，而是引入更符合实际物理条件的「下沉轨道」——这是一种当粒子接近黑洞时，由稳定状态失稳而跌入黑洞前的最后自由运动。

那么，这个「更贴近现实」的模型，究竟改变了什么？

图1 物质从最内稳定圆轨道落入黑洞的下沉轨道示意图。图中从上方俯视黑洞，以极坐标描述物质位置：为物质与黑洞中心的距离，为绕行角度。为了在平面上画出轨迹，横轴取、纵轴取，分别对应轨道平面上的水平与垂直方向。轴的单位为黑洞质量，这是广义相对论中常用的自然单位制——在这套单位下质量与长度可以互换。物理学家们为了方便计算，有时甚至会直接令 M = c = 1，使计算与表达更为简洁。最外侧的粗黑圆环代表最内稳定圆轨道，一旦物质越过这条界线，便只能沿著螺旋路径向内坠落。图中数条螺旋线对应从轨道上不同位置出发的路径，但最终都收敛向黑洞中心。 (MUMMERY A, BALBUS S. Inspirals from the innermost stable circular orbit of Kerr black holes: Exact solutions and universal radial flow,[J]. Phys Rev Lett, 2022, 129(16): 161101.)。

在传统模型中，等离子体被假设稳定地绕着黑洞旋转——就像车辆行驶在环形道路上。然而在实际宇宙中，物质一旦越过最内稳定圆周轨道，便无法再维持绕行，而会迅速向黑洞落下，进入接近自由落体的「下沉区域」。在这段运动中同样可能发生磁重联，但此时重联的角色不再只是释放等离子体本身的能量，而是决定被喷射出的等离子体是否有机会进入负能量状态，从而使黑洞的旋转能转移到外界。

尉迟和妘的研究，正是重新计算在这种落入运动条件下，磁重联产生的等离子体有多大的几率能满足能量提取条件。结果显示：这种能量交换不仅仍然可能，而且在某些情况下允许发生的运动方向范围甚至比理想圆周轨道模型更大。这意味着能量提取不再依赖精细调整的特殊条件，而在更自然的天体环境中也可能出现。

磁重联是什么？

要理解尉迟和妘的研究，我们得先搞清楚一个关键词：「磁重联（magnetic reconnection）」。这听起来像是一种高科技术语，但其实可以用生活化的方式想象：两条被拉紧、扭曲在一起的橡皮筋，在某个交错点突然重新接合，原本储存在张力中的能量迅速释放。磁重联就类似这样，只不过主角不是橡皮筋，而是太空中电浆流（等离子流）里的磁场结构。当方向相反的磁场被流动挤压到一个极薄的区域时，磁场的连接方式会在极短时间内改变，并且可以把部分磁场能量转换为动能，将连接区域的等离子团（plasmoids）沿着重联层两侧高速喷射出去。

图2 上图为 Sweet-Parker 模型的磁重连示意图，该模型描述原本上下反向平行的磁力线重合、并重新连接，转变为左右反向平行的结构。该模型因为预测的重联速率过低，因此有了下图的修正模型：Petschek模型，后被归类进快磁重联的模型。在此模型中假设，实际的电阻扩散区被假设为极短，而磁场的重新连接与能量释放主要发生在该区域外形成的慢模激波中。并且该模型认为实际的磁重联过程中磁力线可以在相互靠近时产生不同程度的弯折，电流片的形状也不再局限于狭长的矩形结构。(ZWEIBEL E, YAMADA M. Magnetic Reconnection in Astrophysical and Laboratory Plasmas[J]. Annu Rev Astron Astrophys, 2009, 47: 291-332.)

这个现象我们其实并不陌生：太阳闪焰、极光活动，甚至地球磁暴都与磁重联有关。而在黑洞边缘，磁重联的重要性不只在于释放等离子流本身的能量，更在于它会改变等离子团的运动速度与方向——使部分被喷射出的等离子体能符合前面所描述的负能量条件，从而让黑洞的旋转能转移到外界。

磁重联若是要发生，首先，环境必须是带电的等离子流，使磁场能被流体拖曳与变形；其次，要有方向相反的磁场彼此靠近，否则磁力线只会平行滑过而不会重新连接。有趣的是，黑洞吸积流几乎自然具备这些条件：高度电离的等离子流、被旋转时空拖曳而扭曲的磁场，以及剧烈的剪切流动同时存在。因此磁重联在黑洞附近并非罕见的偶发事件，而是一种相当合理的局部动力学过程，也因此，在黑洞附近讨论这种能量提取机制并非纯粹理论想象，而具有实际天体环境中的物理基础。

磁重联发生的位置，是否会影响黑洞能量提取？

图3 左图：磁重联过程中能量提取的示意图，展示了在大尺度下等离子团被反向喷射的情形 (黑色箭头) 。蓝色曲线表示背景流的流线。右图 (灰色虚线方框) ：显示了在流体静止系中的重联点局部区域，对等离子团喷射过程的细部示意。(SHEN Y, YUCHIH H Y, CHEN B. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: The plunging bulk plasma and orientation angle[J]. Phys Rev D, 2024, 110(12): 123010)

在黑洞边缘，有一道无形的界线，称为最内稳定圆周轨道（ISCO）。一旦穿过这条界线，有质量物质便无法再维持稳定绕行，而会以接近自由落体的方式向黑洞落下，进入所谓的下沉区域（plunging region）。

过去在讨论能量提取时，常将等离子体视为沿圆形轨道绕行黑洞，因为这样的运动最容易分析；然而在真实的吸积流中，越过 ISCO 的物质仍占据相当范围，磁重联也可能发生在这些正在向内运动的等离子流之中。

这使得问题出现了关键的差别。负能量状态的存在不只取决于黑洞的几何性质，也与等离子团的运动方式密切相关。在圆形轨道上，等离子团的速度主要沿着绕行方向；但在下沉区域中，等离子团同时具有明显的向内动量。当磁重联发生并喷射等离子体时，这种动量分配的改变，可能影响等离子团是否仍能进入负能量状态。

换言之，能层在理论上允许能量提取，并不代表在真实运动条件下必然能够实现。若磁重联发生于下沉区域，被喷射出的等离子体是否仍有机会满足能量提取的条件，便成为一个需要重新检验的问题。

第一篇论文：喷射方向为何关键？

为了回答上述问题，尉迟和妘与合作者在 2024 年底的工作中进一步考虑：当磁重联发生在下沉区域时，被喷射出的等离子体究竟在什么情况下仍能满足负能量条件。

最直观影响的条件，便是磁重联产生的一对向相反方向喷射的等离子体团的喷射角度，在他们的研究当中，分析了各种可能的喷射方向与自旋组合，并考虑黑洞磁化率对其影响，进而找出能量提取的允许区（allowed region）。在允许区的方向角-自旋组合，都会使得其中一个等离子团具有负能，使得能量提取可能发生。

图4 图中纵坐标是指磁重连发生的位置，横坐标是等离子团发射的方向，彩色部分是能量提取允许区域，灰色部分是能层到视界的所有范围。红色的是加入了下轨道的计算的模型，蓝色的是纯圆周轨道的计算，并且以不同的深浅表示磁化率大小。可以看到在同等条件下，红色的面积大于蓝色的面积，在某些条件下，甚至纯圆周轨道的情况下，已无能量提取允许发生，但是包含了下沉轨道的计算模型却仍然能有很大的允许区。并且我们用绿色的虚线标出了能量提取的最优角度变化线，也发现允许区域的范围是沿着这条线的。黄色曲线我们标明了使用特定的磁流体运动模型时，所要求的角度变化线。(SHEN Y, YUCHIH H Y, CHEN B. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: The plunging bulk plasma and orientation angle[J]. Phys Rev D, 2024, 110(12): 123010)

为了进一步量化这件事，研究中引入了「覆盖系数（covering factor）」这个量，描述在所有可能的喷射方向中，能成功满足能量提取条件的比例。换言之，这并不是调整能量大小的问题，而是评估在真实吸积流中，这种机制有多大的几率能够实现。

图5 当磁重联模型为刘模型且时，覆盖因子随黑洞自旋的变化曲线。红线表示合成流线情况，蓝线表示环流流线情况；其中浅色对应，深色对应。(SHEN Y, YUCHIH H Y, CHEN B. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: The plunging bulk plasma and orientation angle[J]. Phys Rev D, 2024, 110(12): 123010)。

结果显示，即使磁重联发生在下沉区域，允许能量提取的方向范围依然存在，并且在不同的磁化率下，允许区域甚至普遍比圆周轨道的情况更大。这意味着黑洞能量提取并不局限于理想圆周轨道的特殊情形，而可能在更真实的天体环境中发生。

图 6 磁重联模型为刘模型且时，能量提取所需的最小局域磁化率随黑洞自旋的变化 (范围，左图) ，以及能量提取所需的最小黑洞自旋随局域磁化率变化 (范围，右图) 。红线表示合成流线情况，蓝线表示圆周流线情况。(SHEN Y, YUCHIH H Y, CHEN B. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: The plunging bulk plasma and orientation angle[J]. Phys Rev D, 2024, 110(12): 123010)。

第二篇论文：在更真实的磁场中，机制还成立吗？

紧接着在 2025 年初的工作中，研究进一步放宽对磁重联的理想化假设。第一篇已经考虑了等离子体在下沉区域中的运动，但当时将重联区域的物理参数固定在一组代表性的条件下；然而在实际天体环境里，重联区域的磁场结构与磁化程度可能更加多样。

为此，研究引入两个描述磁场结构的参数。第一个是几何因子 g，用来刻画重联区域的形状与尺度比例；

图7 此模型跟上面介紹的Petschek模型一樣，都屬於是快雌蟲連模型。只是這個模型中，電流片的尺寸不是固定的，而是可以根據幾何因子g來做調整。當幾何因子g＝0的時候，磁重聯退化為Sweet-Parker模型。其中左图与右上图对应局域尺度，右下图对应微观尺度。蓝色曲线表示磁力线，红色箭头表示磁流体的流动方向，橙色方框则代表电流片。(SHEN Y, YUCHIH H Y. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: parameters in reconnection models[J]. Phys Rev D, 2025, 111(2): 023003.)

第二个是导向场比例 G，代表的是在重联平面的磁场之外，第三个维度方向的磁场成分（guide field）。这些因素都会改变等离子体在重联时被加速的方式，进而影响等离子团的动量分布。

图7 展示了带导向场的哈里斯平衡及其磁重联过程。上方两张图为哈里斯平衡的磁场结构示意：左图呈现磁力线在平面的分量，右图呈现磁力线在平面的分量。下方图组则描绘在导向场存在时的磁重联动力学过程。左图为局域尺度上的磁场位形；右图依时间序列展示中性区内磁重联的演化——两簇磁力线逐步靠近、发生重联，最终将磁流体向中性区两侧喷射。图中，蓝色与绿色带箭头线段表示磁力线，同色者属同一连通磁力线束，虚线部分表示位于电流片下方的磁力线；红色箭头标示磁流体的运动方向；橙色方格代表电流片（即中性区）。(SHEN Y, YUCHIH H Y. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: parameters in reconnection models[J]. Phys Rev D, 2025, 111(2): 023003.)

关键问题仍然相同：在这些更一般、也更接近真实的磁场条件下，被喷射出的等离子体是否仍有机会进入负能量状态？

计算结果显示，虽然参数会影响允许区域的范围，但是在相当广泛的条件下仍然可能发生。这意味着这个机制并非依赖高度特殊的设定，而有机会出现在真实的黑洞吸积环境中。

图8、9 不同磁重联模型中，覆盖因子的分布，上4图为使用快磁重连模型得结果，下方4图为是引入了导向场变化，其数值由颜色的明暗表示。图示为或是 (依据使用的模型不同) 平面上的结果。可以看见，不同的模型会造成很不同的结果，但是仍有相当广泛的允许区域的存在。(SHEN Y, YUCHIH H Y. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: parameters in reconnection models[J]. Phys Rev D, 2025, 111(2): 023003.。

从山洞到黑洞

看到这边，各位读者应该已经大致理解了「从黑洞提取能量」这项理论的有趣演进。如果你想更深入了解，接下来其实就可以直接去读尉迟和妘的原始论文了。最后，我想梳理一下这个研究带给我的感触。

2021年那篇开创性研究的作者 Luca Comisso 曾在接受科普媒体《Science Daily》访问时说道：

「几千年或几百万年后，人类也许能够在黑洞周围生存，而无需依赖恒星提供能量。这本质上是一个技术问题——从物理学角度来看，没有什么可以阻止它。」

这句话让我不禁想起我们的起点。我们曾经在山洞中钻木取火，从炭的氧化反应中提取热与光。我们发现这种巨大的自然力量，并且为我们所用。而今天的理论，则在试图理解一个更加极端的能量来源：从黑洞边缘下沉等离子体的重联中，提取来自时空本身的旋转能。

这两个画面，一个发生在几十万年前，一个或许要等几十万年后，两者却惊人地相似：都是人类站在自然的极限边缘，尝试摸索能量的出口。

当我们仰望星空、模拟磁场、计算轨道，这些写在期刊里的数学式与参数图，其实正延续着那场从山洞开始的求知之火。也许我们现在离黑洞发电还有十万八千里，但光是知道「在物理学上，没有什么可以阻止它」，就已足够令人激动万分。

小记：

感谢尉迟和妘协助校正本篇内容，完稿时我不禁跟她聊起她姓氏与研究之间的联系。在台湾，有复姓朋友通常我们都不叫她的名字，而是直接叫姓。所以我见到她都会称尉迟，而不是和妘。认识她的第一印象当然就是门神上的秦叔宝、尉迟恭。尉迟这姓在我的印象中，是黑门神，而且能隔绝一切鬼怪，或许类似黑洞的事件视界吧。现在想来，她从事黑洞研究也算是继承祖业了，当然比起只进不出的黑洞，不进不出的门神祖先还是厉害一点。她跟我说，还将继续探索黑洞的题目。祝她接下来博士之路一切顺利。

引用文献

1.Penrose R. Gravitational collapse: The role of general relativity. Rivista del Nuovo Cimento, 1969, 1: 252-276.

2.Blandford R D, Znajek R L. Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1977, 179(3): 433-456.

3.Comisso L, Asenjo F A. Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes. Physical Review D, 2021, 103(2): 023014.

4.Mummery A, Balbus S. Inspirals from the innermost stable circular orbit of Kerr black holes: Exact solutions and universal radial flow. Physical Review Letters, 2022, 129(16): 161101.

5.Zweibel E, Yamada M. Magnetic reconnection in astrophysical and laboratory plasmas. Annual review of astronomy and astrophysics, 2009, 47: 291-332.

6.Shen Y, Yuchih H Y, Chen B. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: The plunging bulk plasma and orientation angle. Physical Review D, 2024, 110(12): 123010.

7.Shen Y, Yuchih H Y. Energy extraction from a rotating black hole via magnetic reconnection: parameters in reconnection models. Physical Review D, 2025, 111(2): 023003.

■ 作者简介

关贯之