终有一天，太阳会衰竭。为其核聚变提供能量的燃料将会耗尽，天空会变得寒冷，如果地球能够幸存下来，人类也将陷入永恒的冬天。为了生存，我们的后代需要另作安排。他们将首先耗尽地球的资源，然后是太阳系的资源，最终是可见宇宙中所有星系的恒星。当一切燃料都燃烧殆尽后，他们肯定会将目光投向唯一剩下的能量储存库：黑洞。他们能否利用黑洞的能量来拯救文明？
我来这里是想带来一些坏消息。这个计划行不通。原因归结于诸如量子弦之类的奇异实体的物理学，以及广受欢迎的科幻小说元素：太空电梯。
虚假的希望
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从表面上看，从黑洞中提取能量（或任何东西）听起来是不可能的。毕竟，黑洞被“事件视界”所笼罩，这是一个有去无回的球体，引力场在那里变得无限大。任何误入这个球体内部的东西都注定要灭亡。因此，旨在摧毁黑洞并释放其能量的破坏球本身也会被摧毁，连同其不幸的操作员一起被黑洞吞噬。投掷到黑洞中的炸弹，远非摧毁它，只会扩大它——扩大的量等于炸弹的质量。进入黑洞的东西永远不会出来：不是小行星，不是火箭，甚至不是光。
我们过去是这样认为的。但是，在对我来说是有史以来最令人震惊和愉快的物理论文中，斯蒂芬·霍金在 1974 年表明我们错了。霍金在现任耶路撒冷希伯来大学的雅各布·D·贝肯斯坦的早期思想基础上，证明了黑洞会泄漏少量辐射。如果你掉进去，你仍然会死，但尽管你自己永远无法出来，但你的能量最终会出来。这对潜在的黑洞矿工来说是个好消息：能量可以逃逸。
能量逃逸的原因在于量子力学的阴暗世界。量子物理学的标志性现象之一是它允许粒子穿过原本无法逾越的障碍。一个粒子朝着一道高墙滚动，有时会出现在另一边。不要在家尝试这样做——把自己扔向墙壁，你不太可能毫发无损地在另一边重现。但微观粒子更容易隧穿。
量子隧穿是允许 α 粒子（氦核）逃脱放射性铀核束缚的原因，量子隧穿也是允许“霍金辐射”从黑洞泄漏的原因。粒子不是通过冲破事件视界的无限引力场来逃逸，而是通过隧穿穿过它。（当然，没有人见过黑洞泄漏。但这是将量子力学应用于弯曲时空的一个如此引人注目的数学结果，以至于没有人怀疑它。）
由于黑洞会泄漏，我们或许可以希望以它们的能量为食。但魔鬼藏在细节中。无论我们如何尝试提取这种能量，我们都会看到我们会遇到问题。
一种简单的方法就是等待。经过足够长的时间后，黑洞应该会以光子的形式将其能量吐回宇宙，并进入我们等待的手中。随着能量的每一次损失，黑洞都会收缩，直到最终逐渐消失殆尽。从这个意义上说，黑洞就像一杯美味的咖啡，但你被禁止触摸其表面，否则会受到引力肢解的惩罚。仍然有一种方法可以享用这种灾难性的咖啡：等待它蒸发并吸入蒸汽。
这里有一个问题。虽然等待很简单，但也非常缓慢。黑洞非常暗淡——一个质量与太阳相当的黑洞发出的光芒只有 60 纳开尔文；直到 20 世纪 80 年代，我们甚至不知道如何在实验室中制造如此寒冷的东西。蒸发一个太阳质量的黑洞需要宇宙当前年龄的 1057 倍，这是一个极其漫长的时间。一般来说，黑洞的寿命与其质量的立方成正比，m
3。我们瑟瑟发抖的后代将会被激励去加速这个过程。
他们最初乐观的原因是，并非每个逃离事件视界的霍金粒子都会继续逃逸到无限远处。事实上，实际上没有一个粒子会这样做。几乎每个隧穿过事件视界的粒子后来都会被引力场重新捕获并被黑洞回收。如果我们能够以某种方式从黑洞的掌握中撬出这些光子，在它们逃离视界但尚未被重新捕获之前营救它们，那么也许我们可以更快地收集黑洞的能量。
为了理解我们如何解放这些光子，我们必须首先研究黑洞附近起作用的极端力量。大多数粒子被重新捕获的原因是它们不是直接向外发射的。想象一下从视界外一点点的地方发射激光。你必须直接向上瞄准才能让光线逃逸；你离视界越近，就必须越仔细地瞄准。引力场非常强大，即使你稍微偏离垂直方向，光线也会绕圈并落回。
旋转速度会损害粒子逃逸的可能性，这似乎很奇怪。毕竟，正是轨道速度使国际空间站保持在空中——它提供了抵消重力的离心斥力。然而，如果你离黑洞太近，情况就会逆转——旋转速度会阻碍逃逸。这种效应是广义相对论的结果，广义相对论指出，所有质量和能量都受到重力的影响——不仅是物体的静止质量，还有它的轨道动能。在靠近黑洞的地方（更准确地说，在事件视界半径的 1.5 倍以内），轨道动能的引力比离心斥力更强。在这个半径内，角速度越大，粒子下落得越快。
这种效应意味着，如果你慢慢地下降到黑洞视界，你很快就会变得非常热。你不仅会被本应作为霍金辐射逃逸到无限远的光子所沐浴，还会被那些永远无法到达那里的光子所沐浴。黑洞有一个“热大气层”；你离事件视界越近，它就变得越热。这种热量携带能量。
能量储存在事件视界之外这一事实引发了一个聪明的提议，即我们可以通过伸入黑洞，抓住热大气层并将其运走来“开采”黑洞。将一个盒子悬挂在靠近但不超过黑洞视界的地方，将盒子装满热气体，然后将其拖出。一些内容物会作为传统的霍金辐射自行逃逸出来，但大部分气体，如果我们不干预，注定会落回原处。（一旦气体离开了事件视界附近，将其余部分运送到地球就相对容易了：只需将其装载到火箭上并将其送回家，或将气体转化为激光并将其发射回去。）
这种策略就像吹我们美味但危险的咖啡。在没有帮助的情况下，大部分逸出的水蒸气都会落回原处，但吹过表面会去除新逸出的蒸汽，防止其被重新捕获。推测是通过剥离黑洞的热大气层，我们可以快速吞噬黑洞，时间尺度不像蒸发所需的 m
3，而是像快得多的 m。
然而，在最近的工作中，我表明这种推测是错误的。问题不是来自对量子力学或量子引力的任何高深思考。相反，它源于最简单的考虑：你找不到足够结实的绳索。为了开采热大气层，你需要能够将绳索悬挂在黑洞附近——你需要建造一个太空电梯。但是，我发现，在黑洞附近建造有效的太空电梯是不可能的。
通往天空的电梯
太空电梯（有时被称为天钩）是一种未来主义的结构，因科幻小说作家亚瑟·C·克拉克在他 1979 年的小说《天堂之泉》中而闻名。他想象了一根从外太空垂向地球表面的绳索。它不是从下方推起（就像摩天大楼，每一层都支撑着上层楼层），而是从上方拉起（绳索的每一段都支撑着下面的一段）。绳索的远端系泊在一个巨大的、缓慢绕轨道运行的质量上，该质量远远超出地球同步轨道，向外拉动绳索，使整个装置保持在空中。绳索的近端垂下来，刚好高于行星表面，在那里停止——各种力的平衡确保它只是漂浮在那里，仿佛魔法一般（克拉克曾经说过，魔法与足够先进的技术无法区分）。
这项先进技术的意义在于，有了绳索，将货物送入轨道就变得容易得多。我们不再需要火箭的危险、低效率或浪费，火箭在其旅程的最初阶段主要用于提升燃料。相反，我们会将电动电梯连接到绳索上。一旦将货物移动到近地轨道的边际成本仅仅是电力成本，将一公斤货物送入太空的成本就会从航天飞机收取的数万美元降至几美元——太空之旅的费用低于地铁票。
建造太空电梯的技术障碍是巨大的，其中最大的障碍是找到适合绳索的材料。理想的材料需要既坚固又轻便——坚固到在应力下不会拉伸或断裂，轻便到不会过度加重上方绳索的负担。
钢铁不够坚固，甚至远远不够。除了下方所有物体的重量外，一段钢材还必须承受自身的重量，因此电缆必须越来越粗。由于钢铁相对于其强度而言太重，因此在地球附近，电缆必须每隔几公里厚度增加一倍。早在到达地球同步点之前，它就已经变得不切实际地厚了。使用 19 世纪的建筑材料在地球周围建造太空电梯是行不通的。但 21 世纪的材料已经显示出希望。碳纳米管是碳的长条带，以六边形蜂窝状晶格排列，强度是钢铁的 1000 倍。碳纳米管是建造地外太空电梯的绝佳候选材料。
这将耗资数百亿美元，是迄今为止 undertaking 的最大型大型项目，需要弄清楚如何将纳米管纺成数万公里长的线，并且面临许多其他障碍。但对于像我这样的理论物理学家来说，一旦你确定拟议的结构实际上并未违反已知的物理定律，那么其他一切都只是工程问题。（按照这个标准，建造聚变发电厂的问题也“解决了”，尽管我们的文明中显然缺少聚变发电厂，但太阳这个值得称赞的例外除外。）
黑洞电梯
当然，在黑洞周围，问题要困难得多。引力场更强，在地球周围有效的方法对于这项任务来说是可悲的不够用。
有可能证明，即使使用备受赞誉的碳纳米管强度，到达黑洞视界附近的假设太空电梯要么在黑洞附近必须非常细，以至于单个霍金光子就会将其折断，要么在远离黑洞的地方必须非常粗，以至于绳索本身会在自身重力作用下坍塌并变成自己的黑洞。
这些限制排除了碳纳米管。但正如铁器时代跟随青铜时代一样，正如碳纳米管总有一天会跟随钢铁一样，我们也可能期望材料科学家会发明越来越坚固、越来越轻的材料。他们可能会这样做。但进步不可能无限期地持续下去。进步是有极限的，工程是有极限的，任何材料的抗拉强度与重量比都是有限的——这个极限是由自然规律本身强加的。这个极限是阿尔伯特·爱因斯坦著名公式 E = mc
2.
的一个令人惊讶的结果。绳索中的张力告诉你，你必须花费多少能量才能使其变长：绳索越紧，延长它所需的能量就越多。橡皮筋有张力，因为要使其变长，你必须花费能量来重新排列其分子：当分子容易（能量成本低）重新排列时，张力很小；当分子难以重新排列时，张力很大。但与其仅仅重新排列现有绳索的碎片，我们始终可以制造一整段新绳索并将其粘在末端。以这种方式延长绳索的能量成本等于新绳索段质量中包含的能量，并由公式 E = mc
2 给出——新绳索段的质量 (m) 乘以光速的平方 (c2)。
这是一种非常耗能的延长绳索的方式，但它也是一种万无一失的方式。它为延长绳索的能量成本提供了上限，从而为绳索的张力提供了上限。张力永远不会大于单位长度质量乘以 c
2。（你可能会认为，两条编织在一起的绳索会比一条绳索坚固两倍。但它们也重两倍，因此不会提高强度重量比。）
材料强度的这个基本限制为技术进步留下了很大的空间。这个极限比钢铁强数百亿倍，并且每磅重量仍然比碳纳米管强数亿倍。尽管如此，这意味着我们不能无限期地改进我们的材料。正如我们让自己跑得更快的努力必须在光速下结束一样，我们建造更坚固材料的努力也必须在 E = mc
2.
处结束。有一种假设的绳索材料精确地达到了极限——它是任何材料可以达到的最强强度。这种材料从未在实验室中见过，一些物理学家怀疑它是否真的存在，但其他人则将一生投入到对它的研究中。自然界中最坚固的绳索可能从未见过，但它已经有了一个名字：弦。那些研究弦的人——弦理论家——希望它们是物质的基本组成部分。对于我们的目的而言，重要的不是它们的基本性，而是它们的强度。
弦很坚固。一段用弦制成的绳索，其长度和重量与鞋带相同，可以悬挂珠穆朗玛峰。由于最严峻的工程挑战需要最坚韧的材料，如果我们想在黑洞周围建造太空电梯，我们最好的选择是使用弦；在纳米管失败的地方，基本弦或许会成功。如果有什么东西可以做到这一点，那就是弦；反之，如果弦不能做到，黑洞就是安全的。
事实证明，虽然弦很坚固，但它们还不够坚固。相反，它们令人兴奋地处于足够坚固的边缘。任何更坚固的东西，即使在黑洞周围也很容易建造太空电梯；任何更弱的东西，这个项目都会毫无希望——弦本身会在自身重量的作用下断裂。弦恰好是临界的，因为用弦制成的绳索垂向黑洞表面确实有足够的强度来支撑自身的重量，但没有剩余的强度来支撑电梯的货物。绳索支撑了自身，但代价是丢弃了盒子。
因此，这就是保护黑洞免受窥探的原因。自然规律本身限制了我们的建筑材料，这意味着虽然绳索可以到达黑洞稠密的热大气层，但它无法迅速掠夺它。由于弦的强度是临界的，我们将能够使用较短的绳索从稀薄的上层大气中提取有限的能量。
但这种稀薄而微不足道的饮食并不比仅仅等待好多少：黑洞的寿命仍然与 m
3 成正比，与无辅助蒸发寿命相同。通过零星地偷猎光子，我们或许可以将黑洞的寿命缩短一些，但我们无法实现满足饥饿文明所需的工业提取量。
在这种特殊情况下，有限的光速是我们永恒的敌人。因为我们不能比光速更快地旅行，所以我们无法逃脱黑洞的事件视界。因为我们无法从燃料中提取超过 mc
2 价值的能量，我们注定要将目光投向黑洞。并且由于绳索的强度永远不会超过光速的平方乘以其单位长度质量，因此我们将无法以黑洞的内容物为食。
太阳消失后，我们将生活在永恒的冬天。我们可能会关注黑洞热大气层中的巨大能量宝藏，但我们将冒着风险去抓住它。过于渴望或过于深入地伸入，与其说是我们的盒子抢走了黑洞的辐射，不如说是黑洞抢走了我们的盒子。这将是一个寒冷的冬天。