- 來自星際的黑洞
黑洞：宇宙中的怪物。黑洞形成於大質量恆星的坍縮，人們常常可以認為它會撕裂整個行星，或者在星系中心靜靜地等待一個毫無戒心的星團稍稍靠得太近。黑洞可以將數百萬甚至數十億顆恆星的質量壓縮成一個半徑不大於太陽系外圍的半徑，或者將一顆質量相當於太陽的恆星壓縮成一個體積小於珠穆朗瑪峰的體積。這種巨大的密度不僅足以扭曲空間，還足以扭曲時間。黑洞之所以得名，是因為它們的引力如此之大，以至於即使是宇宙中速度最快的光，也無法逃離它們的視界。
但是黑洞並不完全是黑色的。1974年，理論物理學家斯蒂芬·霍金提出，黑洞可能通過一種後來被稱為霍金輻射的過程，在其視界正上方產生輻射能量(即光)。霍金知道，在整個空間中，粒子-反粒子對從時空的固有能量中爆發出來，但由於它們的電荷相反，它們立即被吸引到一起。這些新形成的粒子和反粒子迅速相互湮滅，重新轉化為產生它們的能量。然而，在黑洞視界附近的情況就不同了。
首先，在黑洞的視界附近，由於黑洞在時空自身上附加的引力能，粒子-反粒子的形成和毀滅速度加快。其次，霍金意識到，粒子-反粒子對有可能在黑洞視界的正上方形成，但兩個粒子的運動方向略有不同。如果一對粒子中的一個被吸進黑洞，而另一個沒有被吸進去，一個遊離的粒子(或反粒子)就會在黑洞周圍自由地漫步。因為從統計上看，未綁定粒子或反粒子形成的速度是相同的，所以在黑洞視界附近的反粒子數量與雜散粒子數量相同。這些粒子和反粒子會相互吸引，相互碰撞並爆炸，形成純能量爆發，以黑洞捕捉不到的速度從黑洞輻射出去。因為這輻射創建粒子產生的黑洞的引力能量，黑洞失去能量通過E = mc計算。
- 描述霍金輻射從黑洞凸輪
這個理論在物理學界引起了不小的反響，因為它暗示，最終，整個宇宙的質量將落入黑洞，並以能量的形式輻射出去，使宇宙成為一個無質量的輻射場。當物理學界正在思考這個新提出的宇宙熱死亡理論時，工程學和科幻界卻在思考如何將這一現象應用於實踐。任何輻射物都可用作電源；也許蒸發的黑洞有一天能給人類提供無限的能量？事實證明，蒸發的黑洞根本不釋放多少能量。一個質量相當於太陽的黑洞需要2.5萬億倍於目前宇宙年齡的能量來提供100瓦的燈泡一秒鐘的照明。更大質量的黑洞發出的霍金輻射甚至比這個還要少。
那麼質量較小的黑洞呢？儘管黑洞在自然界中並不形成，但霍金的公式確實表明，如果能夠創造出更小的黑洞，那麼它們產生的能量將比更大的黑洞要大得多。既然物理定律並不禁止這樣的黑洞存在，也許有一天我們可以人為地創造出一個黑洞，它可以作為我們人類的能量來源。利用這樣一個“微黑洞”的能量輸出並將其轉化為可用的能量可能會被證明是困難的，但是用這些排放來代替航天器的推力可以提供一個穿越浩瀚宇宙的高效可靠的保障。利用蒸發的黑洞作為推進的手段被稱為黑洞星際飛船。
黑洞星際飛船將圍繞三個主要組件設計；微型黑洞、反射器和有效載荷，如星際探測器或乘員艙。反射器將被放置在與微黑洞的一個微調距離上，在那裡霍金輻射壓力向外的力與黑洞質量向內的引力完全相等。這種設置將限制反射器和黑洞之間的相對運動。然而，由於黑洞的排放現在都被引導到一個方向，一個反作用力發生在系統上，一個加速度被給予。通過這種方式，飛船和微型黑洞一起在太空中向前推進，儘管彼此從未接觸過。
- 黑洞星際飛船可能佈局的橫截面的初步草圖。在這個設計中，反射器能夠“旋轉”，將黑洞輻射推向相反的方向，使飛船在接近目標時減速。
確定黑洞飛船的大小受到幾個有關黑洞質量的因素的限制。如前所述，質量較小的黑洞產生更多的能量，從而產生更多的推力。然而，這是以黑洞壽命較短為代價的，它的所有質量都以太短的時間尺度被輻射出去，以至於無法用於星際旅行。一個質量較小的黑洞在它的視界處也更熱，這就為尋找一種能夠在不融化的情況下承受高溫的反射器材料提出了技術問題。此外，平衡黑洞的重力和輻射壓力與反射器要求反射器有足夠的質量，以實際“拖動”黑洞與飛船引力。最後，隨著黑洞向外輻射，它將很快變得更熱、更強大。使用壽命大大超過任務時間尺度的黑洞更好。
作為一個思維實驗，讓我們用一艘黑洞飛船將1000名宇航員發射到4.21光年外的比鄰星。飛船分配10公斤(約等於1/3帝國大廈的質量),假設一些未來材料超高反射率和溫度電阻(我們人為地創造了一個黑洞)，我發現一個3.8 * 10公斤微型黑洞星際旅行是最有效的解決方案。這個微型黑洞的亮度相當於500萬個典型核反應堆的功率，它的質量只需要146年就會耗盡。然而，這並不是在船員們出發70年後在比鄰星著陸，在中途達到了光速12%的最大速度。
- 藝術家對黑洞星艦的印象
70年仍然是一段很長的時間，0.12光速度還不夠高，不足以讓宇航員體驗到明顯的時間膨脹效應。這意味著這艘船將需要配備假死的船員，或他們的親屬幾代人。然而，有一些潛在的解決方案可以顯著降低這種旅行時間。也許最有希望、最優雅的解決方案是使用Bussard電磁收集器從星際空間收集物質，在到達目的地的途中將其添加到黑洞中。這將允許使用一個更小、更強大的黑洞，在到達之前不會燃燒掉它的質量。例如，一個容器使用一個黑洞的質量2 * 10公斤只需要收集並添加大約每秒100克(約一根香蕉的質量)黑洞維持一個穩定的功率輸出。這將允許在短短29年內到達比鄰星，達到接近光速29%的峰值速度。
進一步增加黑洞星際飛船可用能量的另一種可能性是使用克爾-紐曼黑洞。與傳統黑洞不同的是，克爾-紐曼黑洞是旋轉和帶電的。由於額外的能量包含在旋轉或帶電的質量中，克爾-紐曼黑洞將比它們的普通黑洞擁有更多的能量，為黑洞星際飛船提供更多的能量。
總的來說，設計黑洞星際飛船的兩個最大限制是：
- 創造一個人造的微型
- 黑洞製造一種足夠反光的材料或塗層，以保持反射器(以及船)的涼爽
如果第一個約束能夠被克服，第二個約束將被證明是一項相當艱鉅的任務。黑洞的表面溫度在前面案例研究的是3 * 10開爾文。使用當今市場上最反光的材料，我們的反射器需要直徑為20公里，才能與黑洞保持足夠的距離，在極端高溫下保持固體，這將給我們的宇宙飛船增加天文質量，大大增加旅行時間。反射器要有一個合理的質量(即小於飛船的質量)，就需要反射出黑洞發出的所有波長輻射的99.999996%。等到我們有了製造和操縱黑洞質量的技術，希望這個問題也能得到解決。
作為一個物種，我們剛剛開始邁出進入宇宙的第一步；我們第一次進入最後的疆域。宇宙在召喚我們去探索，但它似乎也永遠遙不可及。我們不能永遠待在這裡。有一天，人類將行走在群星之間，就像你我今天行走在地球上一樣簡單。目前還沒有人知道我們將如何實現這一目標，但如果說數百年的科學技術教會了我們什麼的話，那就是保持開放的心態，期待意想不到的事情發生。是的，太空是一個巨大的地方，但這不會阻止我們人類躍上太空，用任何必要的手段探索星球，即使這些手段是宇宙中最強大和神祕的物體。