26 апреля 2019, пятница, 13:14
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

09 апреля 2019, 14:32

Жизнь 3.0

Черная дыра
Черная дыра
Илл.: NASA/JPL-Caltech
 
 

В издательстве CORPUS вышла книга физика и космолога, профессора Массачусетского технологического института Макса Тегмарка Жизнь 3.0. Быть человеком в эпоху искусственного интеллекта. В ней он рассматривает возможные сценарии развития событий в случае появления на Земле сверхразумного искусственного интеллекта, связанные с этим положительные и отрицательные последствия, пытается представить, каким может стать жизнь человечества в будущем.

«Сможем ли мы управлять мыслящими машинами, или это они скорее начнут управлять нами? Заменят ли думающие машины нас, будем ли мы сосуществовать друг с другом или объединимся в некое единое целое? Что значит оставаться людьми в эпоху искусственного интеллекта? Какой ответ на этот вопрос вам представляется желательным, и как вы представляете себе возможность реализации этого ответа в нашей будущей жизни? Цель этой книги — помочь вам присоединиться к нашему разговору. В нем разворачиваются увлекательнейшие контроверзы, о которых я уже упоминал и в которых величайшие мировые умы придерживаются противоположных позиций», – говорит автор.

Мы публикуем отрывок из книги, где автор рассматривает возможное направление энергетики будущего – использование энергии черных дыр.

Испарение черных дыр

В своей книге A Brief History of Time1 Стивен Хокинг описал электростанцию, работающую на черных дырах2. Это, возможно, звучит парадоксом, если вспомнить, что в черной дыре, как считалось долгое время, все, однажды туда попавшее, застревает навеки, и даже свет не может ее покинуть. Однако, как известно, Хокинг сумел рассчитать квантово-гравитационный эффект, благодаря которому черная дыра ведет себя как горячее тело, — причем чем меньше, тем горячее. Это излучение так и стали называть излучением Хокинга. Излучая, черная дыра теряет свою энергию, пока не испарится совсем. Другими словами, какое бы вещество вы ни засунули внутрь черной дыры, оно со временем вылезет обратно в виде теплового излучения, и к тому моменту, когда черная дыра испарится окончательно, все ваше вещество превратится в излучение практически со 100-процентной эффективностью3.

Проблема с использованием черных дыр в качестве источников энергии, однако же, такова: пока размер дыры не сравняется с размером атома или даже не станет значительно меньше его, на что уйдет больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, а пока этого не случится, излучение очень слабое: энергии выделяется не больше, чем от обычной свечки. При уменьшении размера черной дыры излучение растет пропорционально его квадрату, поэтому физики Луис Крейн и Шон Вестмореланд предложили использовать дыры примерно в тысячу раз меньшего размера, чем протон, и по весу примерно равные самому большому океанскому лайнеру. Главное для них заключалось в том, чтобы использовать энергию такой дыры для космического корабля (сюжет, к которому мы еще вернемся), поэтому их интересовала не столько эффективность, сколько портативность, и они предлагали кормить дыру лазерным лучом, исключая всякую возможность превращения энергии в вещество. Но даже если вы будете кормить ее веществом, а не излучением, гарантировать высокую эффективность трудно: чтобы заставлять протоны проваливаться в черную дыру размером в одну тысячную от их собственного, нужна машина вроде Большого адронного коллайдера, увеличивающая их энергию mc2 хотя бы в тысячу раз за счет кинетической энергии (энергии движения). А так как по меньшей мере 10 % этой кинетической энергии потеряется с гравитонами, когда черная дыра испарится, то окажется, что нам приходилось вкладывать в нее гораздо больше энергии, чем мы получим в конце, то есть ее эффективность и вовсе будет отрицательной. Более подробное изучение возможностей использования черной дыры в качестве источника энергии упирается в то, что для этого нам нужна квантовая теория гравитации, которая так до сих пор и не создана, — но эта неопределенность означает также то, что в ней может скрываться полезный квантово-гравитационный эффект, который нам пока неизвестен.

Вращающаяся черная дыра

К счастью, есть другие способы получения энергии из черных дыр, которыми можно воспользоваться, не прибегая к квантовой гравитации или какой-нибудь другой, пока еще не очень понятной, физике. Например, многие известные черные дыры очень быстро вращаются, горизонт событий у них закручивается почти до скорости света, вот эту-то энергию и можно извлечь. Горизонт событий черной дыры — это та самая область пространства, где силы гравитации так велики, что даже свет не может ее покинуть. Рис. 6.4 показывает, что над горизонтом событий у вращающейся черной дыры есть так называемая эргосфера — область, где вращающаяся дыра захватывает окружающее ее пространство, а вместе с ним и любую попавшую туда частицу, у которой теперь нет возможности оказаться в состоянии покоя. Если вы забросите какой-нибудь объект в эргосферу, он немедленно будет подхвачен и закружится вокруг дыры. К сожалению, он вскоре будет поглощен черной дырой, навсегда сгинув под ее горизонтом событий, и пользы от него в смысле получения энергии никакой не будет. Однако Роджер Пенроуз показал, что если вы кинете его под правильным углом и при этом расколете на два, как показано на рис. 6.4, то поглощен будет только один осколок, в то время как другой вырвется на свободу с энергией больше той, которую вы ему изначально сообщили. Иными словами, вы успешно превратите часть энергии вращения черной дыры во что-то полезное, что можно будет потом потратить на совершение работы. Проделывая этот фокус много раз, вы можете выдоить из черной дыры всю ее энергию вращения, в результате чего она остановится, а эргосфера у нее пропадет. Если черная дыра вращается так быстро, как только ей позволяют законы природы, и ее горизонт событий фактически движется со скоростью света, то такая стратегия позволит вам превратить в энергию до 27 % ее массы. Тут все еще есть некоторая неопределенность, связанная с нашим незнанием того, насколько быстро вращаются черные дыры в нашем ночном небе, но некоторые наиболее изученные из них, кажется, должны вращаться довольно быстро — от 30 % до 100 % от допустимого максимума скорости. Монструозная черная дыра в центре нашей галактики (она весит в четыре миллиона раз больше нашего Солнца), по всей видимости, вращается так, что если даже превратить в энергию всего 10 % ее массы, получится то же самое, что при превращении в энергию массы 400 тысяч солнц со 100-процентной эффективностью, или примерно столько же энергии, сколько можно получить с помощью сфер Дайсона вокруг 500 миллионов солнц за миллиард лет.

 

Рис. 6.4 Часть энергии вращения черной дыры можно получить с помощью довольно простого процесса: если запустить частицу А между двух горизонтов, то она расщепится там на две, В и С, одна из которых (С) провалится в черную дыру, а другая (В) — вылетит наружу с энергией, превосходящей начальную энергию частицы А.

Квазары

Еще одна интересная стратегия заключается в том, чтобы извлекать энергию не из самих черных дыр, а из вещества, в них падающего. Природа уже и сама нашла способ это делать — это квазары. По мере того как газ, закручиваясь, все больше приближается к черной дыре — при этом возникает что-то похожее на гигантскую пиццу, внутренняя часть которой дырой постепенно заглатывается, — он разогревается и исторгает колоссальное излучение. Проваливаясь в дыру, частицы газа разгоняются, поскольку энергия сил притяжения превращается в энергию движения, как у парашютистов. Само движение становится все более беспорядочным, возникающая турбулентность нарушает координированное движение газовых слоев, разбивая его на быстрые и не зависящие друг от друга колебания все меньших частей, пока, наконец, дробление не доходит до отдельных атомов, которые принимаются биться друг о друга со страшной скоростью — собственно, эти беспорядочные столкновения быстро движущихся частиц и означают, что газ сильно разогрелся, и теперь уже энергия столкновений превращается в энергию излучения. Построив сферу Дайсона на безопасном расстоянии от черной дыры, все это излучение можно будет собрать и пустить в дело. Чем быстрее крутится черная дыра, тем на большую эффективность процесса можно рассчитывать, а для черных дыр, вращающихся с максимальной скоростью, эффективность достигает аж целых 42 %4. У черных дыр с массой как у звезд большая часть энергии излучается в виде рентгеновских лучей, а у супермассивных звезд, находящихся в центрах галактик, максимум приходится на инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый диапазон.

Если горючего, чтобы топить вашу черную звезду, у вас больше нет, вы можете начинать откачивать ее вращательную энергию, как мы описывали выше5. В самом деле, природа уже

 

1 См.: Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр / пер. с англ. Н. Я. Смородинская. СПб.: “Амфора”, 2001. — Прим. перев.

2 Если поблизости в космическом пространстве не окажется никакой подходящей черной дыры, созданной самой природой, ее можно создать самим, засунув очень много материи в какое-нибудь достаточно маленькое место.

3 Здесь у нас опять некоторое чрезмерное упрощение, поскольку излучение Хокинга включает в себя и некоторые частицы, которые трудно пустить в дело. Большая черная дыра только 90 % своей массы излучает в доступном для использования виде, а остальные 10 % — в виде гравитонов. Это исключительно деликатные частицы: их почти невозможно обнаружить, не говоря уж о том, чтобы как-то использовать. По мере того как черная дыра все больше излучает и все больше сжимается, в ее излучении появляется все больше нейтрино и других массивных частиц.

4 Если тут случится оказаться поклонникам Дугласа Адамса, то специально для них я уточню, что это элегантный вопрос, дающий ответ на другой вопрос — о жизни, Вселенной и вообще обо всем. Значение 42 % — приближенное, на намом деле 1 – 1/√3 ≈ 42%.

5 Если вы топите свою черную дыру газовым облаком, медленно вращающимся в ту же сторону, что и дыра, то газ, съедаясь, будет раскручиваться все быстрее, раскручивая и черную дыру, вроде как фигуристка, прижимающая к груди руки во время вращения. Таким образом ее можно раскрутить до максимальной скорости, из-за чего ей придется отдать 42 % энергии газа, а потом еще нашла способ, как делать это все наиболее эффективно, пропуская радиацию от аккреционного диска через процедуру с магнитным полем, получившую название “процесс Блэнфорда–Знаека”. И тогда, вполне может быть, удастся получить небольшую добавку к нашим 42 %, если использовать магнитные поля и некоторые другие ингредиенты.

 

Тегмарк, Макс
Жизнь 3.0. Быть человеком в эпоху искусственного интеллекта / Макс Тегмарк; пер. с англ. Д. Баюка. — Москва : Издательство АСТ : CORPUS, 2019.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.