在 2019 年最火的國產科幻電影《流浪地球》中，人類為了逃離即將毀滅的太陽系，利用以岩石為燃料的重元素核聚變“行星發動機”，外加藉助木星引力彈弓，才獲得了足以脫離太陽系的第三宇宙速度（超過16.7km/s）。

但是，不提地球過於接近木星洛希極限而產生的一系列後果(為了避免劇透），據考究黨的計算，僅僅是把地球推動到比鄰星的燃料需求就足以把地殼挖空。

如果說，有一種先進的太空引擎，能夠以極少的能耗獲得無限的推力，將飛船（或地球）提速到接近光速，聽起來是不是十分的美好（科幻）？

最近，美國哥倫比亞大學的天文學家 David Kipping 就提出了一個利用黑洞和光帆航天器——一種以光（輻射壓）為推動力的航天器的新思路：使用黑洞引力彈弓加速光子，在無需燃料的情況下驅動光帆航天器。

理論上，這可以讓光帆航天器加速到接近光速的“相對論速度”，從而在動輒上百光年距離的浩瀚宇宙中，實現更快速的星際探索。

圖 | 流浪地球的“行星發動機” （來源：官方海報）

光帆航天器

光帆（Light Sail）航天器與它的孿生姐妹——太陽帆航天器（Solar Sail）的設計原理相同，都是借光子（photons）打在航天器所搭載的反光板上時所施加的輻射壓（radiation pressure）為航天器提供動力。

採用太陽帆技術的航天器會以來自太陽的光子為動力源。而採用光帆技術的航天器則需要在外部，比如在地球上安裝一個超大功率的激光發射器矩陣為航天器提供動力。

理論上來說，此類航天器在經過足夠長的加速時間後，都可在太陽系內實現超過化學燃料推進器所能帶來的最大速度；而光帆技術更是可能在航行的過程中，通過長時間的持續加速達到約五分之一的光速。

圖 | 將於今年搭乘 SpaceX 重型獵鷹火箭飛入地球軌道，進行概念測試的太陽帆航天器： LightSail 2 （來源：The Planetary Society）

在 2016 年，著名物理學家霍金曾與億萬富翁 Yuri Milner 共同開啟了一項名為 Breakthrough Starshot 的太陽系外航行技術研發項目。

該項目計劃發射 1000 個釐米體積的“飛船”，為每個飛船配上直徑為5米的光帆，然後在地球上建設一個佔地 1 平方公里，由大量 10kW (萬瓦）級激光發射器組成的 10GW（億瓦）激光發射器矩陣作為飛船的動力。

這些飛船的目標是距離地球 4.37 光年的南門二星系，其主要目標之一就是比鄰星（Proxima Centauri，也正是流浪地球計劃的目標）。在 15% 至 20% 光速的速度下，這些芯片大小的飛船隻需要 20 到 30年就可以抵達比鄰星，探測當地的情況（為日後的星際殖民做準備）。

然而，這項計劃正面臨著多個技術難關，比如地基激光會受到大氣的干擾、10GW 級別的激光只能為飛船提供幾牛頓的推力、以及受到動力限制而必須“減重”的飛船設備超出了目前生產力等等。

就是在這種情況下，David Kipping 提出了他的新理論：從黑洞那裡獲得動力。

藉助黑洞引力場的“光暈驅動”

其實引力彈弓這一設想早已被人類成功實現，只不過對象不是黑洞，而是木星等其他星體。比如 1974 年發射的水手 10 號，是人類第一次嘗試引力彈弓技術，它藉助金星引力實現加速，最終成功達到水星。類似的還有伽利略號，旅行者 1 號和 2 號探測器等等。

如果可以靈活使用引力彈弓，將會大大提升人類探索宇宙的效率，甚至幫助探測器突破第三宇宙速度，擺脫太陽系，實現星際旅行。例如連續借助木星、土星、天王星和海王星引力的旅行者 2 號，不僅探索了這些星體，還獲得了足以擺脫太陽引力的動能，於 2018 年 11 月飛出太陽系，正式進入星際空間。

圖 | 旅行者 1 號和 2 號都藉助了引力彈弓，才能衝出太陽系（來源：NASA）

但是藉助星體需要掌握恰當的時機，很多時機甚至百年一遇。而且簡單來說，在引力彈弓理論中，目標星體的質量越大，加速或減速的效果就越好，因此如果想要獲得更快的速度，就需要儘可能藉助質量更大的星體，科學家們自然而然想到了宇宙中的“質量霸主”——黑洞。

早在 1960 年代，物理學家 Freeman Dyson 就曾計算出，黑洞可以幫助航天器加速到相對論速度，即物體運動速度接近光速。這樣一來，派出航天器造訪那些數光年，甚至數十光年以外的星系將不再是成百上千年才有可能實現的夢想。

但是黑洞強大的引力會輕而易舉地摧毀航天器，因為它沒有足夠的推動力擺脫吸引。

Kipping 教授提出，如果向雙黑洞（兩個黑洞圍繞彼此旋轉）系統中一個黑洞的特定區域發射激光，保證光線和黑洞的距離在特定區間內，那麼光線就會圍著黑洞繞一圈，吸收一些能量，之後折返回來，通過光帆推動航天器前進。

他將這種方法稱為“光暈驅動” （Halo Drive）。

圖 | “光暈驅動”原理示意圖，黑色物體代表激光發射器（航天器），灰色圓形代表黑洞，紅線代表光子的運動軌跡（來源：David Kipping）

這種看似簡單的機制背後蘊藏著深奧的物理學知識。

我們都知道，黑洞最大的特徵就是吸引力極強，可以改變靠近物體的運行軌跡，甚至連光的路徑都會被改變。那光子，即組成光的粒子，是如何繞黑洞運動又返回的呢？

原因就是黑洞周圍存在一片特殊區域，物理學家稱之為“引力鏡” （gravitational mirror）。

這種稱呼不代表黑洞周圍真的存在某種物質，可以像鏡子一樣反射光線，而是由於引力場的特殊性質，使得從特定角度發射的光線，會恰好圍著黑洞繞半圈（如上圖紅線所示），不會被捕捉，然後返回發射點，於是這些光子就好像是被“反射”回來了。

這個過程很像投擲迴旋飛鏢，所以這些返回的光子又被稱為“迴旋光子” （boomerang photon）。

它們本身就以光速運動，所以速度不會增加，伴隨著靠近黑洞時的多普勒藍移效應（非重力藍移），即光波波長縮短和能量上升，它們還會獲得黑洞的動能，攜帶比發射時更多的能量，然後被光帆吸收，用來驅動和加速航天器。整個過程可以循環進行，直到完成最終加速。

而我們甚至還可以選擇另外一個雙黑洞系統來為航天器進行反向加速，即減速，實現“拿黑洞當油門和剎車”的終極成就。

圖 | 雙黑洞系統 GW150914 的電腦模擬畫面，可以看到黑洞附近的星球因為引力鏡現象而看似在“移動” （來源：SXS）

Kipping強調，“雖然研究使用的是雙黑洞系統的史瓦西黑洞（Schwarzschild），但相同的技巧理論上也適用於克爾黑洞（Kerr）。”之所以選擇雙黑洞系統，是因為這種方法需要最大程度上藉助移動的黑洞獲得動能，還可以更好地選擇加速時間點。

相比傳統推進技術和光帆技術，這種“光暈驅動”系統最大的優勢在於無需大量燃料，可以極大地減輕航天器的重量，同時還能借助黑洞的力量，提供接近光速的速度——傳統光帆想要實現這一目標，需要的能量比人類生產出的能量總和還要多。

這種方式可以驅動質量很大的航天器，因為在黑洞面前，很多星體的質量幾乎不值一提，更別說人造航天器了。理論上，在有一個足夠大的光帆的情況下，木星都可以被加速到相對論速度，更別提（流浪的）地球了。

當然，該理論本身也存在一定的侷限性，比如加速過快導致離黑洞太遠，無法吸收足夠的後續能量用來加速怎麼辦？適合加速的雙黑洞系統太少怎麼辦？受別的天體引力影響怎麼辦？甚至於怎麼跟航天器聯絡都是技術難關。

而且 Kipping 也承認，這項研究還停留在最初級階段，很多條件都沒有考慮到理想化的計算模型中，比如光子能量的吸收率，克服雙黑洞系統重力勢能所需的能量，以及導致激光能量損失的其它條件等等。

“但從理論上證實這一思路的可行性後，是不是意味著更先進的文明可以使用類似的方法接近光速，然後完成迅速的跨星際旅行呢？” Kipping 補充道。

一直以來，這樣的想象力都是人類科技進步的源動力。雖然以人類目前的科技水平，這一完全無法實現的想法更像是科幻而非科學，但我們仍然需要這樣富有野心的理論研究，為之後人類的太空夢想和星際旅行奠定基礎。

畢竟，有多少我們習以為常的科技產品曾是 100 年前的科幻。我們又怎麼能肯定地說，100 年後我們還會無法實現星際飛行呢？