Неймовірна ефективність чорних дір
Є дорівнює мце у квадраті (E=mc2) - найвідоміше рівняння у світі.
Воно показує, що будь-якій масі відповідає величезна кількість енергії.
Наприклад, кіт масою 5 кілограмів містить у своїй масі достатньо енергії для забезпечення нею цілої країни, на кшталт Норвегії, протягом року.
Якби ж цю енергію можна було повністю вилучити з кота.
Але, виявляється, що ефективне добування енергії з маси дуже важко реалізувати.
Антиматерія, звісно, краще підходить для отримання енергії з маси.
Оскільки, якщо ви зіштовхнете звичайного кота з антиматеріальним котом, то всі 100% маси кота й антикота перетворяться на енергію, забезпечивши енергопостачання Норвегії на два роки.
Але, всесвіт майже не містить антиречовини, тому це не дуже вдалий спосіб генерації енергії.
Тому що спочатку нам довелось би втратити багато енергії, щоб створити антиречовину.
Оскільки ми не можемо використовувати антиречовину, то залишається практично три варіанти: хімічні реакції; ядерні реакції; і гравітаційні взаємодії, коли об’єкти притягаються, або коли речовина падає в чорну діру.
Хімічні реакції, наприклад, настільки погано вилучають енергію з маси, що нам важко навіть подумати про них, як про перетворення маси в енергію.
Наприклад, реакція невеликої кількості водню і кисню створює досить потужний вибух.
Але маса кінцевих продуктів реакції лише на пів міліграма менша, ніж маса початкових інгредієнтів, що становить одну стомільйонного відсотка ефективності перетворення маси в енергію.
При такій швидкості вам знадобиться 10 мільярдів котів, щоб покрити потреби Норвегії на рік.
Ядерні реакції набагато ефективніші, але все ще досить погані в абсолютному значенні.
Розщеплення урану-235 на криптон і барій перетворює лише 0.08% маси в енергію, а синтез гелію з водню, як у ядрі Сонця, перетворює близько 0.7% маси в енергію.
При такій ефективності вам знадобиться 150 котів, щоб забезпечити Норвегію на рік.
І ось тут на допомогу приходять чорні діри.
Вони хороші настільки, наскільки це можливо у нашому всесвіті.
Це може здаватися дивним, оскільки, як ви напевно знаєте, ніщо не може вийти з чорної діри, якщо вже опинилося всередині неї.
Але ефективність чорних дір пов’язана з тим, що відбувається з речовиною під час падіння на них ще до перетину горизонту подій.
Будь-який об’єкт при падінні в гравітаційному полі пришвидшується, набуваючи кінетичну енергію.
Якщо він стикається з чимось, то його кінетична енергія може частково перетворитись в тепло.
Це тепло може бути випромінене, трохи зменшуючи масу об’єкта.
Для планет і зірок це перетворення маси в енергію мізерне.
Тіло, що падає на поверхню Землі, вивільняє у вигляді енергії лише приблизно одну мільярдну своєї маси.
Це, фактично, однаково погано, як і у випадку хімічної реакції.
Але чорні діри особливі.
Вони неймовірно малі.
Чорна діра з масою Землі мала б діаметр приблизно 2 сантиметри.
А, отже, об’єкт, що падатиме на неї, набуде більшої енергії.
Оскільки гравітація стає сильнішою і сильнішою при наближенні до чорної діри, об’єкти, що падають на чорні діри, прискорюються до надзвичайно великих швидкостей.
Зокрема, об’єкт, який падає аж до горизонту подій чорної діри, матиме кінетичну енергію еквіваленту перетворенню приблизно половини його енергії спокою.
Однак, якщо об’єкт продовжить падати далі, то вся ця енергія залишиться всередині чорної діри.
Найкращим способом перетворення маси в енергію, яка випромінюватиметься назовні, буде рух об’єкта по спіралі в чорну діру, коли він стикаючись з іншими тілами нагрівається і випромінює енергію, втрачаючи свою масу, уповільнюючись і наближаючись при цьому до горизонту, аж до крайньої внутрішньої стабільної орбіти.
І це саме те, що роблять акреційні диски навколо чорних дір.
Отож, наскільки добре вони перетворюють масу в енергію?
Для чорної діри, що не обертається, радіус найбільшої внутрішньої кругової орбіти втричі більший, ніж гравітаційний радіус.
І для того, щоб впасти по спіралі, об’єкт повинен перетворити близько 6% своєї маси в енергію, яка випромінюється у всесвіт.
Після цієї орбіти, якщо він втратить більше енергії, то упаде в чорну діру, після чого енергію з нього більше не можна буде видобути.
Але з таким показником потрібно вкинути 17 котів у чорну діру, щоб забезпечити енергією Норвегію на цілий рік.
У порівнянні з однією стомільйонного відсотка ефективності хімічних реакцій і сімома десятками відсотка ефективності ядерних реакцій, 6% для чорної діри, яка не обертається, можуть здаватися досить хорошим варіантом.
Але, чорні діри, що обертаються, є набагато кращим вибором через особливості викривлення простору-часу.
Вони буквально тягнуть речі, що обертаються навколо них в напрямку обертання самої діри.
Тому найбільша внутрішня орбіта може бути розташована набагато ближче до горизонту подій.
Це залежить від швидкості обертання чорної діри.
Але для чорних дір, що обертаються дуже швидко, найближча стабільна орбіта збігається з горизонтом подій.
І сам горизонт подій вдвічі менший, ніж для чорної діри, що не обертається.
Враховуючи все це, можна підсумувати, що речовина, яка падає в таку чорну діру, може перетворити до 42% своєї маси в енергію.
Або, що те саме, вам потрібно лише 2.5 кота, що падають на таку чорну діру, щоб покрити річні енергетичні потреби Норвегії.
Отже, якщо ви дійсно хочете перетворити масу об’єкта в енергію, не розглядайте хімічні реакції, ядерний поділ, чи ядерний синтез.
Киньте будь-яку речовину в чорну діру, що швидко обертається.
