סיקור מקיף

האם אפשר לשאוב אנרגיה מחור שחור? / אדם בראון

אם תרבות עתידנית כלשהי תרצה להפיק אנרגיה מתוך חור שחור, הצעד הראשון יהיה בניית מעלית חלל שמפרה את חוקי הפיזיקה 

 

חור שחור וסילון פלסמה שיוצא מקרבתו המורכב מחומרים שנהדפו מסף האירוע. איור: shutterstock
חור שחור וסילון פלסמה שיוצא מקרבתו המורכב מחומרים שנהדפו מסף האירוע. איור: shutterstock

יום יבוא והשמש תגווע. הדלק המזין את תגובות המיזוג הגרעיני שלה יִכְלֶה, השמים יתקררו, ואם כדור הארץ ישרוד בכלל, תושלך האנושות לתוך חורף נצחי. אם יבקשו צאצאינו להישאר בחיים, הם ייאלצו לערוך סידורים חלופיים. ראשית לכול, הם ינצלו עד תום את משאבי כדור הארץ, ולאחר מכן את מערכת השמש, ולבסוף, את כל הכוכבים שבכל הגלקסיות ביקום הנראה. עם כלות כל מקורות הבעירה, הם ללא ספק יתלו את עיניהם במאגר האנרגיה היחיד שיישאר: חורים שחורים. האם הם יוכלו ללקט מהם את האנרגיה הזאת ולהציל את הציוויליזציה?

יש לי חדשות רעות: התכנית הזאת לא תפעל. הסיבות לכך נעוצות בפיזיקה של ישויות אקזוטיות כמו מיתרים קוונטיים וכמו המתקן המהולל החביב על סופרי המדע הבדיוני: מעלית החלל.

תקוות שווא
לכאורה, נראה שחילוץ אנרגיה (או למעשה, כל דבר אחר) מתוך חור שחור הוא משימה בלתי אפשרית. ככלות הכול, חורים שחורים עטופים ב"אופק אירועים," מעטפת כדורית שאין ממנה חזרה, שבתוכה שדה הכבידה נעשה אין-סופי. כל דבר שימצא את עצמו בתוך המעטפת הזאת, גורלו נחרץ. לכן כל מתקן שינסה לחסל חור שחור ולשחרר את האנרגיה שלו, ייהרס בעצמו, וייבלע על ידי החור השחור יחד עם מפעילו ביש המזל. פצצה שתושלך לתוך החור, לא זו בלבד שלא תשמיד אותו, אלא היא אף תגדיל אותו, בכמות השווה למסת הפצצה. מה שנכנס לחור שחור לעולם אינו יוצא בחזרה: לא אסטרואידים, לא טילים, אפילו לא אור.

כך לפחות אנחנו רגילים לחשוב. ואולם, לפתע פתאום, במאמר שמבחינתי הוא המאמר המטלטל והמענג ביותר שנכתב מעולם בתולדות הפיזיקה, הראה סטיבן הוקינג ב-1974 שטעות בידינו. הוקינג, שהתבסס על רעיונות מוקדמים יותר שהגה יעקב ד' בקנשטיין, הפועל כיום באוניברסיטה העברית בירושלים, הראה שמחורים שחורים דולפות כמויות קטנות של קרינה. אתם עדיין תמותו אם תיפלו פנימה, אבל אף על פי שאתם עצמכם לעולם לא תצליחו לצאת, בסופו של דבר האנרגיה שלכם תצליח לברוח. מדובר בחדשות טובות לשואפים להפיק בעתיד אנרגיה מחורים שחורים: אנרגיה יכולה להימלט.

הסיבה שהאנרגיה נמלטת נעוצה בעולם המתעתע של מכניקת הקוונטים. אחת התופעות המובהקות לפיזיקת הקוונטים היא האפשרות של חלקיק לעבור מִנְהוּר, כלומר לעבור דרך מכשולים שלולא מכניקת הקוונטים היו בלתי עבירים. חלקיק המתגלגל לעבר מחסום גבוה עשוי לעתים להופיע בצִדו השני. אל תנסו את זה בבית: אם תטיחו את עצמכם בקיר, לא סביר כל כך שתתגשמו מחדש ללא שריטה בעברו השני. אבל חלקיקים מיקרוסקופיים נוטים יותר לעבור מִנהוּר.

מִנְהוּר קוונטי הוא שמאפשר לחלקיקי אלפא (גרעיני הליום) להימלט ממלתעותיו של גרעין אורניום רדיואקטיבי, ומִנְהוּר קוונטי הוא שמאפשר ל"קרינת הוקינג" לדלוף מחור שחור. חלקיקים נמלטים משדה הכבידה האין-סופי של אופק האירועים, לא באמצעות ניגוח החומות אלא באמצעות מִנְהוּר דרכן. (כמובן, איש מעולם לא ראה חור שחור דולף, אבל זוהי השלכה מתמטית משכנעת כל כך של יישום מכניקת הקוונטים על מרחב-זמן מעוקם, עד שאיש אינו מטיל בה ספק.)

ומכיוון שֶחורים שְחורים דולפים, אנחנו יכולים לקוות שנצליח לזלול את האנרגיה שלהם. אבל השטן מצוי בפרטים. לא משנה כיצד ננסה לחלץ את האנרגיה הזאת, נראה שניתקל בבעיות.

אחת הגישות הפשוטות תהיה לא לעשות דבר חוץ מלהמתין. לאחר די זמן, יפלוט החור השחור את האנרגיה שלו, פוטון אחר פוטון, בחזרה לתוך היקום והיישר אל חיקנו הממתין. עם כל טיפת אנרגיה שתאבד, יתכווץ החור השחור, עד שבסופו של דבר הוא יתכלה לגמרי. במובן הזה, חור שחור הוא כמו ספל קפה טעים שכל הנוגע בפני השטח שלו, אחת דינו, פירוק כבידתי לחתיכות. ועם זאת, עדיין יש דרך לצרוך את הקפה הקטלני: המתינו שהוא יתאדה, ושאפו את האדים.

אך יש מִלכּוּד. ההמתנה היא אמנם קלה, אבל היא גם ארוכה להחריד. חורים שחורים הם עמומים ביותר: חור שחור שמסתו הוא כמסת השמש זוהר בטמפרטורה של 60 ננו-קלווין. עד שנות ה-80 של המאה ה-20 אפילו לא ידענו איך ליצור משהו קר כל כך במעבדה. הזמן שיידרש לצורך אידוי של חור שחור שמסתו כמסת השמש גדול פי 1057 מגילו הנוכחי של היקום, זמן ארוך להפליא. באופן כללי, תוחלת החיים של חור שחור היא המסה שלו בחזקה שלישית, m3. צאצאינו הרועדים מקור ירצו ככל הנראה לזרז קצת את העניינים.

אחת הסיבות לאופטימיות בעבורם היא שלא כל חלקיק הוקינג הנמלט מאופק האירועים ממשיך הלאה ונמלט לאין-סוף. למעשה, בפועל, אף אחד מהם אינו עושה זאת. כמעט כל חלקיק שעובר מִנְהוּר וחוצה את אופק האירועים נלכד אחר כך מחדש על ידי שדה הכבידה ונאלץ לשוב לחיקו של החור השחור. אם נצליח באופן כלשהו לעקור את הפוטונים האלה מאחיזתו של החור השחור, לחלץ אותם מציפורניו לאחר שנמלטו מן האופק אבל לפני שנלכדו מחדש, אז אולי נוכל ללקט את האנרגיה של חורים שחורים מהר יותר.

כדי להבין כיצד נוכל להוציא את הפוטונים האלה לחופשי, אנחנו חייבים להתחיל בבדיקת הכוחות הקיצוניים שפועלים סמוך לחור שחור. הסיבה לכך שמרבית החלקיקים נלכדים מחדש היא שהחלקיקים האלה אינם נפלטים החוצה בקו ישר. דמיינו שאתם מקרינים קרן לייזר ממש מחוץ לאופק האירועים. עליכם לכוון היישר למעלה כדי שהאור יצליח להימלט; ככל שאתם קרובים יותר לאופק, עליכם לכוון יותר בקפידה. שדה הכבידה הוא חזק כל כך, עד שאפילו אם אתם סוטים מן האנך כמלוא נימה, האור יתכופף וייפול בחזרה פנימה.

ייתכן שהעובדה שמהירות סיבובית יכולה לפגוע בתהליך ההימלטות של החלקיק עשויה להיראות מוזרה. ככלות הכול, המהירות המעגלית היא בדיוק מה שגורם לתחנת החלל הבין-לאומית להישאר למעלה: היא מספקת לה את הדחייה הצנטריפוגלית שמתנגדת לכוח הכבידה. ואולם, אם תתקרבו יותר מדי לחור שחור, המצב יתהפך: המהירות הסיבובית תעכב את ההימלטות. התופעה הזאת היא תוצאה של תורת היחסות הכללית, הקובעת שכל מסה וכל אנרגיה נתונות להשפעתה של הכבידה. לא רק מסת המנוחה של עצם אלא גם האנרגיה הקינטית הסיבובית שלו. סמוך לחור שחור (או ליתר דיוק, במרחק של פחות מפי אחד וחצי הרדיוס של אופק האירועים), המשיכה הכבידתית של האנרגיה הקינטית הסיבובית חזקה יותר מן הדחייה הצנטריפוגלית. מן הרדיוס הזה והלאה כלפי פנים, ככל שהמהירות הזוויתית של חלקיק תגדל, הוא ייפול מהר יותר.

משמעותה של התופעה הזאת היא, שאם תשלשלו את עצמכם לאט-לאט כלפי מטה לעבר האופק של חור שחור, אתם תתחממו מאוד בתוך זמן קצר. לא רק הפוטונים שהצליחו להימלט לאין-סוף בתור קרינת הוקינג יומטרו עליכם, אלא גם הפוטונים שלעולם לא היו מצליחים במשימה. לחור השחור יש "אטמוספרה תרמית": ככל שאתם מתקרבים לאופק האירועים, הטמפרטורה עולה. החום הזה נושא אנרגיה.

העובדה שקיימת אנרגיה המאוחסנת מחוץ לאופק האירועים הולידה את ההצעה המחוכמת, שנוכל "לשאוב" את האנרגיה של חור שחור על ידי כך ש"נושיט יד", נתפוס את האטמוספרה התרמית ונפנה אותה החוצה. שלשלו קופסה סמוך לאופק של החור השחור, בלי לחצות אותו, מלאו את הקופסה בגז חם ואז משכו אותה החוצה. חלק מן התכולה הייתה יוצאת החוצה ללא עזרה, בתור קרינת הוקינג רגילה, אבל אם לא היינו מתערבים, גורלו של רוב הגז היה ליפול בחזרה פנימה. (ברגע שהגז הזה היה יוצא מן האזור הסמוך לאופק האירועים, קל באופן יחסי לשנע אותו לאורך יתרת הדרך עד לכדור הארץ: פשוט מעמיסים אותו על טיל ומטיסים אותו הביתה, או ממירים את הגז ללייזר ומקרינים אותו בחזרה.)

האסטרטגיה הזאת דומה לנשיפה על ספל הקפה הטעים אך המסוכן שלנו. ללא סיוע חיצוני, מרבית אדי המים שייפלטו ייפלו בחזרה לתוך הספל, אבל נשיפה על פני השטח מסלקת את האדים שזה עתה נמלטו לפני שיש להם סיכוי להילכד מחדש. ההשערה היא שאם נקלף מחור שחור את האטמוספרה התרמית שלו, נוכל לגמוע במהירות את החור בפרק זמן שאיננו מסדר הגודל של m3, הזמן שדרוש להתאדות החור, אלא בקצב מהיר במידה ניכרת, מסדר הגודל של m.

אבל בעבודה שלי מן הזמן האחרון, הראיתי שההשערה הזאת שגויה. הבעיה אינה נובעת מהרהורים נשגבים על מכניקת הקוונטים או על כבידה קוונטית. היא נובעת מן השיקול הכי פחות מתוחכם שבנמצא: לא תוכלו למצוא חבל חזק דיו. כדי לשאוב את האטמוספרה התרמית, עליכם להיות מסוגלים לשלשל חבל סמוך לחור השחור, או במילים אחרות תצטרכו לבנות מעלית חלל. אבל אני גיליתי שהקמת מעלית חלל יעילה סמוך לחור שחור היא משימה בלתי אפשרית.

מעלית לשמים
מעלית חלל (המכונה לפעמים skyhook) היא מבנה עתידני, שהתפרסם בזכות סופר המדע הבדיוני ארתור סי קלארק בספרו מ-1979, The Fountains of Heaven (תורגם לעברית בשם "מזרקות גן העדן" – העורכים). קלארק דמיין חבל המשתלשל מן החלל החיצון מטה אל פני כדור הארץ. הוא אינו מוחזק על ידי דחיפה מלמטה (כמו שקורה בגורדי שחקים, שבהם כל קומה תומכת בקומות שמעליה) אלא על ידי משיכה מלמעלה (כל מקטע חבל תומך במקטע שמתחתיו). קצהו הרחוק של החבל מעוגן למסה גדולה החגה לאִטה הרבה מעבר למסלול הגאוסטציונרי, והיא שמושכת את החבל כלפי חוץ ושומרת על העסק תלוי על בלימה. הקצה הקרוב של החבל משתלשל מטה ומגיע ממש מעל לפני השטח של כוכב הלכת, ושם הוא נעצר. האיזון בין הכוחות השונים מבטיח שהוא פשוט ירחף שם, כבמעשה קסמים (וכפי שאמר פעם קלארק, אי אפשר להבחין בין קסם לבין טכנולוגיה מתקדמת דיה).

הרעיון של הטכנולוגיה המתקדמת הזאת הוא שכשהחבל מוצב במקומו, הרבה יותר קל להעביר משאות למסלול. לא נזדקק עוד לטילים מסוכנים, בלתי יעילים ומזהמים, שבחלק הראשון של מסעם מטיסים למעלה בעיקר דלק. במקום זאת, נחבר לחבל מעלית חשמלית. כשהעלות השולית של שינוע משאות למסלול נמוך מעל כדור הארץ היא לא יותר מעלות החשמל, המחיר של העלאת קילוגרם לחלל יצנח מסכום של עשרות אלפי הדולרים שדרשה מעבורת החלל לסכום של שני דולרים. זהו אפוא מסע לחלל במחיר נמוך מכרטיס אוטובוס.

המכשולים הטכנולוגיים הניצבים בפני בניית מעלית חלל הם אדירים, והגדול שבהם הוא מציאת חומר מתאים בשביל החבל. החומר האידאלי צריך להיות חזק וקל. חזק כדי שלא יימתח או ייקרע בגלל המַעַוָּת, וקל כדי שלא יכביד יתר על המידה על החבל שמעל.

פלדה אינה חזקה דיה, אפילו לא מתקרבת לכך. מקטע פלדה חייב לשאת, בנוסף לכל מה שמתחתיו, גם את משקלו העצמי, ולכן הכבל חייב להיות עבה יותר ויותר ככל שעולים גבוה יותר. פלדה היא כבדה כל כך ביחס לחוזק שלה, עד שסמוך לכדור הארץ הכבל יהיה חייב להכפיל את עוביו מדי כמה קילומטרים. הרבה לפני שיגיע לנקודה הגאוסטציונרית, הוא יהיה עבה כל כך עד שהשימוש בו כבר לא יהיה מעשי.

בניית מעלית חלל סביב כדור הארץ בעזרת חומרי בנייה מן המאה ה-19 פשוט לא תוכל לצאת אל הפועל. אבל חומרי בנייה של המאה ה-21 כבר מתחילים להראות סימנים מבטיחים. צינוריות-ננו עשויות פחמן, שהן גלילים ארוכים של פחמן, שהאטומים שלהן מסודרים בתבנית משושים דמויית כוורת, הן חזקות פי 1,000 מפלדה. צינוריות-ננו פחמניות הן מועמדות מצוינות לבניית מעלית חלל חוץ-ארצית.

המבצע הזה יעלה מיליארדים רבים של דולרים, יהיה המגה-פרויקט הגדול ביותר שקיבלה האנושות על עצמה מעולם, ללא שום מתחרים, ידרוש מציאת דרך לשזור את צינוריות הננו לחוטים שאורכם עשרות אלפי קילומטרים, ויעמוד בפני מכשולים נוספים. אבל לפיזיקאי תיאורטיקן כמוני, ברגע שהחלטתם שמבנה כלשהו אינו מפר באופן עקרוני את חוקי הפיזיקה הידועים, כל השאר אינו אלא בעיה הנדסית. (על פי אותו עיקרון, הבעיה של בניית כור מיזוג (היתוך) גרעיני גם היא "נפתרה" כבר, על אף היעדרם הבולט של כורים כאלה המספקים אנרגיה לאנושות, חוץ מיוצאת דופן אחת ראויה לציון – השמש).

מעלית חור שחור

סביב חור שחור, כמובן, הבעיה קשה בהרבה. שדה הכבידה הוא חזק יותר, והניסיון להתאים למשימה את מה שפועל מסביב לכדור הארץ נידון להתרסקות נלעגת על קרקע המציאות.
אפשר להראות שאפילו אם נשתמש בחוזק המרשים של צינוריות-ננו פחמניות, מעלית חלל משוערת שמגיעה סמוך לאופק האירועים של חור שחור צריכה להיות או דקה כל כך סמוך לחור השחור עד שפוטון הוקינג יחיד ישבור אותה, או עבה כל כך הרחק מן החור השחור עד שהחבל עצמו יקרוס תחת הכבידה של עצמו ויהפוך לחור שחור חדש.

המגבלות האלה מוציאות מן החשבון את האפשרות של צינוריות-ננו פחמניות. אבל ממש כשם שתקופת הברזל הגיעה אחרי תקופת הברונזה, וממש כשם שצינוריות-ננו פחמניות יבואו ביום מן הימים במקום הפלדה, כך גם אפשר לצפות שמדעני החומרים ימציאו חומרים חזקים יותר ויותר וקלים יותר ויותר. ואכן אין זה מן הנמנע. אבל התהליך הזה אינו יכול להימשך לנצח. קיים גבול לתהליך הזה, גבול להנדסה, גבול ליחס בין חוזק המתיחות והמשקל בכל חומר נתון, גבול שמציבים חוקי הטבע עצמם. הגבול הזה הוא תוצאה מפתיעה של הנוסחה המפורסמת של אלברט איינשטיין, E=mc2.

משמעותה של המתיחות בחבל היא כמה אנרגיה עליכם להשקיע כדי לעשות אותו ארוך יותר: ככל שהחבל יותר מתוח, כן נדרשת יותר אנרגיה כדי להאריך אותו. לגומייה יש מתיחות מכיוון שבשביל להאריך אותה יש צורך בהשקעת אנרגיה כדי לארגן מחדש את המולקולות שלה: כשקל לארגן את המולקולות (כלומר, לא נדרשת אנרגיה רבה לשם כך), המתיחות קטנה; כשהעלות האנרגטית של הארגון גבוהה, המתיחות גדולה. אבל במקום להשקיע את האנרגיה בארגון מחדש של חלקי חבל קיימים, אנחנו תמיד יכולים פשוט לייצר מקטע חבל חדש ולהדביק אותו לקצה. העלות האנרגטית להארכת חבל באופן הזה שווה לאנרגיה שמכילה המסה של מקטע החבל החדש, והיא מחושבת באמצעות הנוסחה: E=mc2, כלומר, המסה (m) של מקטע החבל החדש כפול מהירות האור בריבוע (c2).

זוהי דרך יקרה מאוד מבחינה אנרגטית להאריך חבל, אבל היא גם דרך בטוחה. היא מספקת חסם עליון לעלות האנרגטית של הארכת חבל וממילא גם מציבה גבול למתיחות של חבל. המתיחות לעולם אינה יכולה להיות גבוהה יותר מן המסה ליחידת אורך כפול c2. (אתם עשויים אולי לחשוב ששני חבלים שזורים יהיו חזקים פי שניים מחבל יחיד. אבל הם יהיו גם כבדים פי שניים ולכן לא ישפרו את יחס החוזק-משקל.)

הגבול היסודי הזה על חוזק של חומרים מותיר מרווח רב להתקדמות טכנולוגית. הגבול הזה חזק פי מאות מיליארדים מפלדה, ואפילו כשמביאים בחשבון את המשקל, הוא חזק פי מאות מיליונים מצינוריות-ננו פחמניות. ועדיין, משמעות הדבר היא שאיננו יכולים לשפר את החומרים שלנו ללא גבול. ממש כשם שהמאמצים שלנו להניע את עצמנו יותר ויותר מהר חייבים להיעצר במהירות האור, כך המאמצים שלנו לבנות חומרים חזקים יותר ויותר חייבים להיבלם ב-E=mc2.
קיים חומר היפותטי אחד בשביל החבל, שמגיע בדיוק לגבול הזה, כלומר חזק ככל שיכול להיות חומר כלשהו. החומר הזה מעולם לא נצפה במעבדה, ויש פיזיקאים המפקפקים בעצם קיומו, אבל אחרים הקדישו את חייהם למחקר עליו. ואף על פי שאיש מעולם לא ראה את החבל החזק ביותר בטבע, כבר יש לו שם: מיתר. האנשים החוקרים מיתרים, תיאורטיקני מיתרים, מקווים לגלות שהם-הם מרכיבי היסוד של החומר. למטרותינו, לא משנה עד כמה המיתרים יסודיים, מה שחשוב הוא החוזק שלהם.
מיתרים הם חזקים. על מקטע חבל העשוי ממיתרים, שאורכו ומשקלו הוא כשרוך נעל, אפשר לתלות את הר אוורסט. אתגרי ההנדסה הקשוחים ביותר דורשים שימוש בחומרים הקשוחים ביותר, ולכן אם ברצוננו לבנות מעלית חלל סביב חור שחור, הסיכוי הטוב ביותר שלנו יהיה שימוש במיתרים. במקום שבו צינוריות-ננו פחמניות כשלו, ייתכן שמיתרים יסודיים יצליחו. אם קיים חומר שיכול לבצע זאת, החומר הזה הוא מיתרים. ולהפך, אם מיתרים אינם יכולים, חורים שחורים אינם בסכנה.
מתברר שעל אף שמיתרים הם חזקים, הם אינם חזקים דיים. למעשה, הם מצליחים לרפרף בדיוק על קצה קצהו של החוזק המספיק. אם הם היו חזקים קצת יותר, היה קל לבנות מעלית חלל אפילו סביב חור שחור; אם היו קצת יותר חלשים, הפרויקט היה חסר סיכוי מפני שהמיתר עצמו היה נקרע תחת כובד משקלו שלו. מיתרים ניצבים בדיוק על הגבול מכיוון שבעוד שחבל העשוי ממיתרים המשתלשל לעבר פני השטח של חור שחור הוא אכן חזק דיו כדי לתמוך במשקלו שלו, לא נותר בו חוזק שיוכל לתמוך במשא שעל המעלית. החבל יכול לתמוך בעצמו, אבל לשם כך ניאלץ לוותר על הקופסה.

זה אפוא הדבר המגן על חורים שחורים מפני חיטוט בקרביהם. חוקי הטבע עצמם מגבילים את חומרי הבניין שלנו, ומשמעות הדבר היא שעל אף שחבל יכול להגיע לאטמוספרה התרמית הדחוסה של חור שחור, הוא אינו יכול לשדוד אותו ביעילות. מכיוון שחוזקו של מיתר הוא גבולי בדיוק, נוכל לחלץ כמות מוגבלת של אנרגיה מן האטמוספרה הגבוהה והדלילה בעזרת חבל קצר יותר.

ואולם, התפריט הדל והבלתי מספק הזה אינו טוב בהרבה מהמתנה: תוחלת החיים של החור השחור תישאר מסדר הגודל של m3, אותו סדר גודל של תוחלת החיים של האידוי העצמאי. אם נצוד פוטונים תועים פה ושם, נוכל אולי לקצר את תוחלת החיים של החור השחור בשיעור קטן כלשהו, אבל לא נוכל להשיג את השאיבה התעשייתית הדרושה כדי להאכיל ציוויליזציה רעבה.

במקרה של חורים שחורים, המהירות הסופית של האור מצֵרה שוב ושוב את צעדינו. מכיוון שאיננו יכולים לנסוע מהר יותר מן האור, איננו יכולים להימלט מאופק האירועים של חור שחור. מכיוון שאיננו יכולים לחלץ מן הדלק שלנו יותר אנרגיה מאשר mc2, נגזר עלינו להתבונן בחורים שחורים בעיניים כלות. ומכיוון שחבל לעולם לא יהיה חזק יותר ממהירות האור בריבוע כפול המסה שלו ליחידת אורך, לא נוכל לזלול את תכולתו של החור.

כשיקיץ הקץ על השמש, אנחנו נחיה בחורף נצחי. ייתכן שנחמוד את מטמוני האנרגיה העצומים שבאטמוספרה התרמית של חור שחור, אבל הניסיון לאחוז בהם עלול לעלות לנו במחיר יקר. אם נושיט יד עמוק מדי, או בלהיטות רבה מדי, אז במקום שהקופסה שלנו תשדוד מן החור השחור את הקרינה שלו, החור השחור הוא זה שישדוד מאִתנו את הקופסה שלנו. חורף קר מצפה לנו.

על המחבר
אדם בראון (Brown) הוא פיזיקאי עיוני באוניברסיטת סטנפורד. כשהוא אינו חושב על חורים שחורים, הוא חושב על המפץ הגדול ועל בועות של כלום.

בקיצור
כשהשמש תגווע בעוד כמה מיליארדי שנים, האנושות תהיה חייבת למצוא מקור אנרגיה חדש בשביל לשרוד. אחד המועמדים יכול להיות חורים שחורים, שמלאים באנרגיה.
ניסוי מחשבתי מציע להשתמש ברעיון מעולם המדע הבדיוני, מעלית חלל, כדי "לשאוב" את הקרינה התרמית מחור שחור.
מעלית חלל תשתמש בקופסה הצמודה לחבל המשתלשל מטה עד סמוך לאופק האירועים של החור השחור כדי ללקט משם קרינה. ואולם, מתברר כי אפילו החומר החזק ביותר ביקום, מיתר יסודי, לא יעניק לנו חבל שיוכל לעמוד כנגד המשיכה הכבידתית העצומה שעל יד אופק האירועים של חור שחור.
עוד בנושא
מזרקות גן העדן. ארתור סי קלארק, תרגום: עומר נבו. הוצאת אודיסיאה, 2006.
Acceleration Radiation and the Generalized Second Law of Thermodynamics. William G. Unruh and Robert M. Wald in Physical Review D, Vol. 25, No. 4, pages 942–958; February 15, 1982.
למידע נוסף על המחקר העדכני בנושא מעליות חלל
ScientificAmerican.com/feb2015/brown

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל

עוד בנושא באתר הידען:

מעלית החלל יורדת מהפרק?

מי ייסע במעלית החלל?

שדות מגנטיים עצומים נמצאים בקרבת חורים שחורים ענקיים במרכזי גלקסיות
כיצד נוצרים חורים שחורים

38 תגובות

  1. מאושרים. אין להם דאגות. אני דואג מה יקרה לעולם בשנה שנתיים הקרובות. לא השמש וחסרונה יחריבו את העולם. אנחנו, בני האדם מביאים על נינינו את הקץ. או בהתחממות יתר או במלחמות אין קץ.

  2. "אם יבקשו צאצאינו להישאר בחיים, הם ייאלצו לערוך סידורים חלופיים. ראשית לכול, הם ינצלו עד תום את משאבי כדור הארץ, ולאחר מכן את מערכת השמש, ולבסוף, את כל הכוכבים שבכל הגלקסיות ביקום הנראה."
    הפסקתי לקרוא כשראיתי את זה

  3. מי אמר שהדרך היחידה היא להעביר "פיזית" את האנרגיה.
    אי אפשר לשלשל לשם מכשיר שישתמש באנרגיה, יהפוך אותה לקרינה ואז יקרין אותה החוצה?

  4. "יש לי חדשות רעות: התכנית הזאת לא תפעל. הסיבות לכך נעוצות בפיזיקה של ישויות אקזוטיות כמו מיתרים קוונטיים וכמו המתקן המהולל החביב על סופרי המדע הבדיוני: מעלית החלל."
    יש לי חדשות רעות: האנושות תכחד הרבה לפני שהשמש תגווע
    יש לי עוד חדשות רעות: האדם ימצא תחליף לאנרגיה הרבה לפני שהשמש תגווע

  5. "הם ינצלו עד תום את משאבי כדור הארץ, ולאחר מכן את מערכת השמש, ולבסוף, את כל הכוכבים שבכל הגלקסיות ביקום הנראה."
    "כל הכוכבים שבכל הגלקסיות ביקום הנראה."
    כן בטח
    נגיע לשם
    נראה אתכם מגיעים לאוראנוס קודם

  6. גם אם היה לנו חבל זה לא היה עובד: כי החבל צריך להיות קשור למשהו בצד השני. ואם הוא קשור לכדור הארץ וכח המשיכה של החור השחור לוכד את הקופסא אז הניסיון לגלגל חזרה את החבל ימשוך את כדור הארץ לכיוון החור השחור ולא להיפך.

  7. יהודה,

    קודם כל, אין פה שום דבר בדיוני. זהו מדע. אמנם מדובר בפיזיקה תיאורטית, אבל בתור מישהו שקרא את המאמרים וגם דיבר על הנושא עם הכותב, אני יכול להבטיח לך שמדובר בפיזיקה במובן הטהור ביותר של המילה.

    אני לא מצליח להבין למה הטיעון שלך "אפשר לייצר אנרגיה בדרכים יותר פשוטות, ממילא לא נוכל לייצר יותר אנרגיה מהמסה של החור השחור" לא תקף גם לכורים גרעיניים. למה לא היינו צריכים לומר לאנשים שחקרו כורים גרעיניים באמצע המאה הקודמת "עזבו, יותר פשוט לשרוף פחם וגם במילא לא תוכלו לייצר יותר אנרגיה ממה שמכילה מסת הגרעין בכל מקרה"? צריך לעשות מחקר כדי לדעת איך אפשר לייצר אנרגיה, איך יותר זול, איך יותר פשוט, איך אפשר להגיע לנצילות גבוהה יותר, איך אפשר לעשות זאת בצורה הנקיה והבטוחה ביותר. אני לא מצליח להבין איך אתה יודע את התשובות לפני שביצעת את המחקר.

    המעשיות אכן בעייתית כיום פשוט כי אין לנו חורים שחורים קרובים. בנוסף, המאמר טוען שגם אם היו, אין תהליך שיכול לחצוב אנרגיה בקצב סביר (ועל כך אני לא משוכנע שאנחנו מסכימים). אבל מה שלא מעשי היום, זה הטכנולוגיה היומיומית של מחר. במאה ה-18 חשמל היה הדבר הכי לא ישים שיש, ובכל זאת חקרו אותו…

    לבסוף, אם תקרא תראה שכל התהליכים המדוברים מתרחשים מחוץ לחור השחור. אנחנו יודעים *בדיוק* מה קורה שם. יש לנו מודלים תיאורטיים מדויקים מאוד. יש לנו תצפיות רבות. אין שום הפתעות. סימני השאלה הגדולים הם בנוגע לאופק עצמו והתוך של החור השחור.

  8. יהודה, האם קראת את הפסקה הראשונה של המאמר?
    "עם כלות כל מקורות הבעירה, הם ללא ספק יתלו את עיניהם במאגר האנרגיה היחיד שיישאר: חורים שחורים. "

  9. אני לא מבין מה הייתרון הגדול של להכנס למסע מטורף ואולי בידיוני מעבר לטווח הידוע במדע כאשר לחלוטין איננו יודעים מה יקרה ליד חור שחור ואיזה "הפתעות" תיקרינה לנו בדרך לאנרגיה הברוכה.
    מה יותר פשוט מליצור אנרגיה מחומר בדרך הידועה מחומר רגיל, הרי בסופו של דבר גם מחור שחור לא נקבל יותר אנרגיה מאשר החומר הכלול בו. יותר חכם יהיה לחקור אפשרויות מיזוג או כורים פשוטים שיופעלו ע"י חומרים פשוטים וזולים יותר מאורניום או פלוטוניום.
    כל המאמר הזה יכול להיות רק תרגיל מחשבתי אבל הוא לא ניראה לי מעשי.
    בהצלחה.

  10. אלבנטזו
    מוזר, רק עכשיו ראיתי את התגובה שדיברת עליה.
    מרגיז לגלות שבזבזתי זמן איכות ברכבת על טרול שאינו יודע קרוא וכתוב

  11. יתכן… ,

    הנה ההגדרה של מדע בדיוני מתוך ויקיפדיה:

    "מדע בדיוני הוא סוגה ספרותית העוסקת בתיאור עלילות עתידיות בדיוניות באמצעות פיתוח רעיונות ומגמות קיימים בתחומי המדע, הטכנולוגיה… השערה מציאותית על אירועים עתידיים אפשריים, המבוססת בצורה מוצקה על ידע והכרה של העולם האמיתי, עבר והווה, ותוך הבנה של הטבע וחשיבות השיטה המדעית…

    רבים נוטים לבלבל בין מדע בדיוני ובין פנטזיה או להתייחס אל שתי הסוגות כאל מקשה אחת, אולם השתיים נבדלות זו מזו…המדע הבדיוני מבוסס על חוקים מדעיים… בעוד שהפנטזיה מתרחשת כולה בעולם דמיוני מיסודו"

  12. יתכן… ,

    "מעצם הגדרתו, מדע בדיוני מתעלם מחוקי הפיזיקה…"

    ממש לא, מדע בדיוני הוא (בין השאר) גם מה שכרגע בלתי אפשרי מבחינה טכנולוגית, זה לא חייב להיות משהו שמתעלם מחוקי הפיזיקה או מתנגש איתם. למשל הדברים שתוארו בספר 20 אלף מיל מתחת למים של ז'ול ורן נחשבו בזמנו למדע בדיוני, אך לאחר פחות מ 100 שנים הדברים הפכו למציאות.

  13. יתכן..
    תענה לאחד.
    היכן ראית התעלמות מחוקי הפיסיקה במאמר?
    המאמר שואל שאלה ומנסה לענות עליה בהסתמך על חוקי הפיסיקה הידועים.
    מה בדיוני פה?

  14. תגובה לאיתן – זו בדיוק הנקודה . איך אפשר לשקלל את כל המשתנים כדי להגיע לתוצאה מסוימת ? . אסימוב בספרי המוסד , פיתח את מה שנקרא הפסיכוהיסטוריה ע"י הבנה של כל הזרמים החשמליים במוח והוא הציג אותם כמתמטיקה . – אז יש לנו גוף נקודתי ואנחנו יכולים כביכול " לשלוט " בכל המשתנים . אבל איך עושים דבר כזה בחור שחור ? או אפילו בחישוב על השפעת תנועת משק כנפיים של יונה על האקלים בדרום אפריקה . האם בכלל אפשר להגדיר אותן כפונקציות ? . אני מניח שלא . האם זה אפשרי ? בוודאי . עצם היכולת לחשוב על זה לדעתי היא כבר 50 אחוזים מהדרך . – איבדתי את הנקודה של הקישור של מה שרציתי להעביר , לא משנה . מיציתי את הדיון .

  15. אלברטוזו

    ראשית
    עצם אורכו של המאמר, מעורר חשדות לגבי מטרתו…

    אני משער שמדובר בחור-שחור בסדר גודל "סטנדרטי",
    דהיינו כזה ששואב לתוכו כל חומר הקרוב אליו…
    אז איך אפשר להתקרב אליו כדי לשאוב ממנו אנרגיה בלי להשאב לתוכו ?

    אגב, לא חשבתי בכלל לטרוח ולקרוא את המאמר…

  16. יתכן,

    אחרי שהפגנת ידע חסר תקדים בחקר הגרביטציה, אולי תספר לנו מה בדיוק בדיוני במדע שמוצג בכתבה? אני בטוח שקראת את המאמרים, הפנמת והבנת את כל מה שהכותב הראה בהם, ואתה יכול לספר לנו מדוע זה לא מדע אמיתי אלא רק בדיוני, נכון?

  17. איתן

    מדע בדיוני הוא בדיוני…
    כאשר מערבבים אותו עם מדע אמיתי,
    המדע האמיתי הופך להיות גם בדיוני…

  18. יתכן..
    מה הבעיה במדע בדיוני?
    מה הבעיה בלקחת תרחיש, שכרגע הוא בגדר מדע בדיוני ולנתח אותו בצורה מדעית?
    זו בעצם ההגדרה של מדע בדיוני קלאסי: סיפור שבבסיסו ספקולציות מדעיות או עתידיות.
    ולבסוף שאלה קטנה: האם יתכן שמדע בדיוני להגדרתך הוא כל דבר שאינך מבין בו?

  19. המשך תגובה לייתכן : כי ייתכן וזו האחרונה אז אפילו קליפורד סימאק בספר העיר – ניסה להאיץ תובנות – עיר הנמלים למשל . כעת זה נשמע מדע בדיוני . אבל מי אומר שזה לא ייתכן ?

  20. תגובה לייתכן : בלי מדע בדיוני דברים לא היו מתחילים לקרום עור וגידים .- ז'ול ורן דיבר שבזמנו על תותח על שיעיף אותנו לחלל , גודארד או מישהו עם ג בשם שאני לא זוכר את השם שלו אבל יש עליו איזה בניין אי שם בנאסא – הציע את השימוש בטילים כדי להגיע לחלל , לפני זה עוד צחקו עליו . היינליין חזה את זה באחד הספרים שלו עוד לפני שהבן אדם זכה לכבוד הראוי לו . אפילו קלארק חזה את השימוש בתקשורת לווינים – המדע הבדיוני הוא המאהבת שאי אפשר להיפטר ממנה .

  21. דרך נוספת (בעיני יותר פשוטה) היא לנצל את אנרגיית הריק שקיימת על פי עיקרון האי ודאות (עיקרון אי הוודאות מהווה גם את הבסיס לקרינת הוקינג) . האמירה שזה יותר פשוט כמובן אינה אומרת שזה פשוט.
    גילוי דרך לניצול אנרגיית הריק תהיה פריצת דרך מדהימה אם אכן תתרחש.
    כאשר מנסים לבודד קווארק למרות כוח החזק , הקווארק יוצר קווארק נוסף מהריק.
    אולי ניתן לחקות באופן דומה את פעולתו כדי לאסוף אנרגיה, אך זאת כמובן בתנאי שההשקעה באנרגיה
    להבאת מצב כזה לא תהיה גבוה מהתמורה.

  22. אני אסביר לך נועם – יותר קל לשאוב אנרגיה מחור שחור ע"י חוצנים כמו אצל אסימוב בספר " האלים עצמם " .- שם הם עשו החלפות – טונגסטן 186 תמורת פלוטונים 186 .. רק מה , חוצנים טרם התגלו בעולם הממשי [ אם הוא בכלל ממשי ] . פה ושם יש נוכחות של חיידקים זכרונם לברכה מהחלל . אבל לחוצנים טרם הגענו … לפני כמה חודשים העלו כתבה על מעלית חלל שתקובע ע"י אסטרואיד ומעליה יבנו תחנת חלל . אבל גם לשם טרם הגענו … אז מעלית בתוך חור שחור ? אני מניח שהם התכוונו למטאפורה . בכתבה יש לינק לספר של קלארק " מזרקות גן העדן " – ממליץ לקרוא בחום . בכלל כל הספרים שלו נהדרים .

  23. מישהו יכול להסביר לי מדוע ניתן לשאוב אנרגיה מהחור השחור רק ע"י מעלית חלל?
    הרי חלקיקים יכולים להגיע עם מהירות גבוהה מרחוק ולעבור מחוץ לאופק האירועים ולחזור לחלל (כמו כל אסטרואיד במסלול אליפטי) ואז להתחמם מאותה אנרגיה וכך "לגנוב" קרינת הוקינג בקצב גבוה מהרגיל.

  24. או שיעברו ליקום מקביל צעיר יותר בכל פעם. סביר יותר להניח שהאנושות לא תחזיק מעמד יותר מכמה מיליוני שנים.

  25. זה מדהים שעד לפני 100 שנה (או קצת פחות [?]) חיינו ביקום סטטי והמפץ הגדול לא היה… והיום יש לנו מעל שורות אלו את הכתבה הנ״ל והנחות שסביר להניח בעוד זמן לא רב יראו קצת לא רלוונטיות (שלא לדבר על מיליאדר שנה).
    בכל אופן, נהנתי לקרוא את מה שנכתב.
    אבל
    לפעמים כשאני קורא כתבות מהסוג הזה אני נזכר באותם סרטים / ספרים / תוכניות רדיו שנעשו הרבה לפני שבאתי לכאן ותמיד יש לי את התחושה שזמן שהם עשו את זה – הם ידעו שהם עושים משהו עתיק, עוד לפני שהצילום הפך לפילים (היה דבר כזה) מפותח.
    למי שסקרן לדעת על מה שאני מדבר – שיצפה, למשל בביטלס…

    קצב ההתקדמות שלנו ללא ספק עלה על המסלול המהיר וכנגדו יכולת הניבוי שלנו (משמע: ככל שנתקדם מהר יותר – כך ננבא פחות טוב) ואלו חדשות די רעות (לדעתי)
    אני אישית עוסק בתכנות וגם כאן צריך יכולת ניבוי. וכשהניבוי שלי נכשל – אני מוצא את עצמי מפענח דברים שעשיתי – ומדובר בשעות רבות (ולפעמים ימים) – סוג של מלאכת מחשבת שכל שכבה (קוד במקרה הזה) תלויה בזו שלפניה וככל שעורמים שכבות – כך גם קשה מלאכת הפיענוח.
    בחיים (לדעתי) העיניין סבוך שבעתיים – יש לי תחושה שאם מסיבה כלשהי נצטרך לעשות ריסטארט לטכנולוגיה הקיימת היום (נניח כתוצא מסופה מגנטית [או וירוס מעוּצבן]) הידע להתניע את המערכות פשוט לא קיים.
    ולעיניין הכתבה המענגת: היה כיף לקרוא – כמו לקרוא ספר מדע בדיוני (או סרט מצוייר כשהייתי בן 5) אבל לא יותר מזה.
    יללא – אני חייב לחזור לעבוד…

  26. ניסים אז זהו שלא כתוב שם יחסית למסה בשלישית אלא כתוב שהוא המסה בשלישית . אבל אחרינו הסביר את הנושא אלבנזו שמדובר כאן בלקיחת קבועים כיחידה במה שניקרא יחידות טבעיות. רעיון מעניין וכנראה זה ההסבר. מכל מלמדי השכלתי (:)) תודה.

  27. לזמן יחידות אחרות מאשר מסה, אנרגיה וכו'. בפיזיקה תיאורטית – מסיבות של נוחות – נהוג לקחת c=1, כלומר לקבוע את מהירות האור. כתוצאה מכך, מהירות נהיית גודל חסר יחידות ולכן לזמן ולמרחק יש אותן היחידות. ברור שזה לא באמת נכון לגבי מדידות שנבצע במעבדה, אבל זה נוח מאוד לחישובים תיאורטיים. אם נרצה ליישם חישוב תיאורטי במעבדה, נצטרך להחזיר את היחידות הנכונות על ידי הכפלה בחזקה הנכונה של c (ברור שהסיבה שאנו מרשים לעצמנו לעשות זאת היא בגלל שיש רק דרך אחת להחזיר יחידות בצורה נכונה).

    באופן דומה, נהוג לקחת גם את קבוע פלאנק ל-1. כאשר מהירות האור וקבוע פלאנק הם 1 (נקרא "יחידות טבעיות") אז מתקבל באופן ישיר שלכל הגדלים בטבע יש יחידות שהן חזקה כלשהי של מסה. למשל, אורך הוא מסה בחזקת מינוס אחד. אנרגיה היא מסה בחזקת 1. תנע זוויתי הוא מסה בחזקת 0, וכו'. לכן ניתן למדוד אנרגיה ומסה באותן יחידות וכו'. כמובן, שאם רוצים לתרגם למעבדה – צריך להחזיר את הקבועים c ופלאנק בחזקות הנכונות.

    בפיזיקה של גרביטציה נהוג להשתמש ב"יחידות גיאומטריות", שבהן בנוסף לקבועים הנ"ל, גם קבוע בולצמן ו-G של ניוטון הם 1. ביחידות אלה אין לשום גודל בטבע יחידות – הכל יוצא חסר יחידות. ביחידות אלה גם מתקבל שזמן החיים של חור שחור הולך כמו המסה שלו בשלישית. כרגיל, כדי לתרגם את הזמן לתוצאה שאפשר לבדוק במעבדה (כלומר, שניות) צריך להחזיר את כל הקבועים ביחידות הנכונות.

  28. "יום יבוא והשמש תגווע. הדלק המזין את תגובות המיזוג הגרעיני שלה יִכְלֶה, השמים יתקררו, ואם כדור הארץ ישרוד בכלל, תושלך האנושות לתוך חורף נצחי. אם יבקשו צאצאינו להישאר בחיים, הם ייאלצו לערוך סידורים חלופיים. ראשית לכול, הם ינצלו עד תום את משאבי כדור הארץ, ולאחר מכן את מערכת השמש, ולבסוף, את כל הכוכבים שבכל הגלקסיות ביקום הנראה."
    הקטע הזה נראה לי קצת… כשהשמש תגווע אנו לא נהיה כאן כי לפני כן היא תהיה ענק אדום. לנצל משאבי כדור הארץ, מערכת השמש. כל הכוכבים וכל הגלקסיות. איך? פשוט יותר לעבור דירה. ואיך נגיע לכל הגלקסיות ביקום הנראה?

  29. יהודה
    התיקון הראשון שלך נראה לי הגיוני. התיקון השני לא מובן לי. כל מה שנאמר היא שתוחלת החיים יחסית למסה בשלישית. אף אחד לא טען לשקילות.

  30. אני רואה במאמר שני אי דיוקים צורמים:

    במאמר ניכתב: "חלקיקים נמלטים משדה הכבידה האין-סופי של אופק האירועים,". סוף ציטוט.
    לאופק הארועים של חור שחור אין כוח כבידה אין סופי אלא שמהירות הבריחה מהאופק היא מהירות האור.
    כמו-כן ניכתב במאמר: "באופן כללי, תוחלת החיים של חור שחור היא המסה שלו בחזקה שלישית". סוף ציטוט.
    ובכן, המסה יכולה להימדד ביחידות של אנרגיה אבל לא חושב שביחידות של זמן.
    מתנצל אם אני טועה (:))

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן