第256章 黑洞飞船（3 / 5）
在经典力学中，我们將实粒子的能量、质量和动量绘製成图时，这些物理量会形成一个类似薄壳的双曲面结构，所以我们称普通的实物质为 “在壳”，或是 “在质量壳上”。
而虚粒子则是 “离壳” 的，从概念上来说，虚粒子的 “离壳程度”，在一定程度上反映了它的 “非实在性”，以及它存在的时间长短。
不过在某些情况下，虚粒子也可以转化为实粒子，实粒子和虚粒子之间的界限，在一些场景中也可能变得模糊、隨意。
换一种角度来看，虚粒子並非真正存在於时空之中，而是存在於时间的滴答间隙，或是空间的缝隙之中。
我个人很喜欢这个比喻，因为虚粒子本质上就是將构成物质的 “砖块” 粘合在一起的 “灰浆”。
我们所说的奇异物质，通常指的就是那些拥有负质量或负能量等特性的非虚粒子、实物质，而奇异物质会成为我们几期之后的科普中，讲解超光速旅行时的一个重要元素。
顺带一提，关於宇宙大爆炸的所有物质和能量的起源，有不少理论都与虚粒子，或是弦理论中的类似概念有关，比如认为整个宇宙就是一次巨大的真空涨落。
目前没有太多证据支持这些理论，但对於宇宙大爆炸这一事件，也没有任何理论能拿出確凿的证据，而在这些天马行空的理论中，虚粒子相关的理论算是比较有意思的一类。
但量子泡沫的基础理论认为，虚粒子会在宇宙的各个角落不断成对產生，而这些粒子对几乎会立刻相互抵消、湮灭。
现在我们终於可以讲讲霍金辐射了，因为正如我之前所说，在极小的黑洞附近，事件视界周边的潮汐力极强，即便一对虚粒子紧挨在一起，只要其中一个粒子离黑洞的距离，比另一个稍远一点点，就会被这种巨大的引力差异撕裂。
正常情况下，和宇宙中其他地方一样，黑洞事件视界外侧的空间中，也在不断发生著虚粒子对的產生过程。
有时候，成对的虚粒子都会逃离黑洞的引力范围；有时候，两个粒子都会坠入黑洞，这些情况都不会產生任何重要的物理效应，说白了，就是什么都没发生。
但偶尔，会有一个虚粒子坠入黑洞，而另一个则会飞离黑洞，事件视界的阻隔，让这两个粒子无法再重新结合，也无法產生相互作用，而黑洞会因此损失一小部分质量和能量 —— 在这个物理场景中，质量和能量的本质是相同的。
这个飞离的虚粒子会转化为实粒子，通常是一个高能伽马光子，但也可能是其他类型的粒子。
这种现象在大型黑洞周围很少发生，几乎可以说是从未出现过，儘管大型黑洞的事件视界外侧有更大的空间，產生的虚粒子对数量也更多。
而在小型黑洞的事件视界周边，即便是亚原子尺度的距离变化，產生的引力差异也极其巨大，足以將虚粒子对撕裂，將其中一个粒子拉入视界內，而且这种情况发生的频率相当高。
这就导致黑洞会持续释放能量，这种能量就是我们所说的霍金辐射，这个理论是史蒂芬?霍金在 1976 年提出的。
我们还將这个过程称为 “黑洞蒸发”，因为这意味著，除非黑洞不断吸收物质来补充质量，否则它的体积最终会不断收缩，而且收缩的速度会越来越快。
一颗恆星级质量的黑洞，可能每隔几年才会让一个虚光子逃离並转化为实粒子，因此它的蒸发过程需要耗费数千万亿亿亿亿亿年的时间。
而我们之前提到的那个十几亿吨质量、小山大小的微型黑洞，会持续释放数百兆瓦的能量，其蒸发时间也仅有区区数万亿年 —— 这在宇宙尺度上，不过是弹指一挥间，也就比宇宙目前的年龄长几百倍而已。
而数百兆瓦的功率，已经是相当可观的能量供应了，堪比大多数核反应堆的功率。
粗略来说，黑洞通过霍金辐射释放的能量功率，与其质量的平方成反比，这意味著如果將黑洞的质量减半，它释放的能量功率会变为原来的四倍。
同时，黑洞的寿命也会变为原来的八分之一，因为它的质量能量损失速度变为原来的四倍，而初始质量却只有原来的一半。
所以如果你想製造一个能陪伴太阳走完剩余寿命的黑洞能量源，它的质量大约需要达到一亿吨，也就是一百兆吨，差不多是一座中等大小山丘的质量。
这个黑洞会在未来 40 亿年里，持续释放约 300 亿瓦的能量，这是极其巨大的能量，按照现代美国的电力消耗水平，足够为一千万人供电。
而且一百兆吨的质量，其实並不算多。
当然，从日常视角来看，这个质量依然十分庞大 —— 如果换成水，这些水足以將一座体育场灌满几十次，但海洋中蕴含的水的质量，超过十亿兆吨，而地球本身的质量约为六千万亿兆吨。
所以从宇宙的宏观尺度来看，这个质量根本不值一提。
儘管这个质量的黑洞能释放巨大的能量，且自身质量並不算大，但对於製造宇宙飞船来说，它的能量功率依然过低，而质量又过高了。
所以在之后讲解黑洞动力宇宙飞船的科普中，我们会关注质量约为一兆吨的微型黑洞。 ↑返回顶部↑
而虚粒子则是 “离壳” 的，从概念上来说，虚粒子的 “离壳程度”，在一定程度上反映了它的 “非实在性”，以及它存在的时间长短。
不过在某些情况下，虚粒子也可以转化为实粒子，实粒子和虚粒子之间的界限，在一些场景中也可能变得模糊、隨意。
换一种角度来看，虚粒子並非真正存在於时空之中，而是存在於时间的滴答间隙，或是空间的缝隙之中。
我个人很喜欢这个比喻，因为虚粒子本质上就是將构成物质的 “砖块” 粘合在一起的 “灰浆”。
我们所说的奇异物质，通常指的就是那些拥有负质量或负能量等特性的非虚粒子、实物质，而奇异物质会成为我们几期之后的科普中，讲解超光速旅行时的一个重要元素。
顺带一提，关於宇宙大爆炸的所有物质和能量的起源，有不少理论都与虚粒子，或是弦理论中的类似概念有关，比如认为整个宇宙就是一次巨大的真空涨落。
目前没有太多证据支持这些理论，但对於宇宙大爆炸这一事件，也没有任何理论能拿出確凿的证据，而在这些天马行空的理论中，虚粒子相关的理论算是比较有意思的一类。
但量子泡沫的基础理论认为，虚粒子会在宇宙的各个角落不断成对產生，而这些粒子对几乎会立刻相互抵消、湮灭。
现在我们终於可以讲讲霍金辐射了，因为正如我之前所说，在极小的黑洞附近，事件视界周边的潮汐力极强，即便一对虚粒子紧挨在一起，只要其中一个粒子离黑洞的距离，比另一个稍远一点点，就会被这种巨大的引力差异撕裂。
正常情况下，和宇宙中其他地方一样，黑洞事件视界外侧的空间中，也在不断发生著虚粒子对的產生过程。
有时候，成对的虚粒子都会逃离黑洞的引力范围；有时候，两个粒子都会坠入黑洞，这些情况都不会產生任何重要的物理效应，说白了，就是什么都没发生。
但偶尔，会有一个虚粒子坠入黑洞，而另一个则会飞离黑洞，事件视界的阻隔，让这两个粒子无法再重新结合，也无法產生相互作用，而黑洞会因此损失一小部分质量和能量 —— 在这个物理场景中，质量和能量的本质是相同的。
这个飞离的虚粒子会转化为实粒子，通常是一个高能伽马光子，但也可能是其他类型的粒子。
这种现象在大型黑洞周围很少发生，几乎可以说是从未出现过，儘管大型黑洞的事件视界外侧有更大的空间，產生的虚粒子对数量也更多。
而在小型黑洞的事件视界周边，即便是亚原子尺度的距离变化，產生的引力差异也极其巨大，足以將虚粒子对撕裂，將其中一个粒子拉入视界內，而且这种情况发生的频率相当高。
这就导致黑洞会持续释放能量，这种能量就是我们所说的霍金辐射，这个理论是史蒂芬?霍金在 1976 年提出的。
我们还將这个过程称为 “黑洞蒸发”，因为这意味著，除非黑洞不断吸收物质来补充质量，否则它的体积最终会不断收缩，而且收缩的速度会越来越快。
一颗恆星级质量的黑洞，可能每隔几年才会让一个虚光子逃离並转化为实粒子，因此它的蒸发过程需要耗费数千万亿亿亿亿亿年的时间。
而我们之前提到的那个十几亿吨质量、小山大小的微型黑洞，会持续释放数百兆瓦的能量，其蒸发时间也仅有区区数万亿年 —— 这在宇宙尺度上，不过是弹指一挥间，也就比宇宙目前的年龄长几百倍而已。
而数百兆瓦的功率，已经是相当可观的能量供应了，堪比大多数核反应堆的功率。
粗略来说，黑洞通过霍金辐射释放的能量功率，与其质量的平方成反比，这意味著如果將黑洞的质量减半，它释放的能量功率会变为原来的四倍。
同时，黑洞的寿命也会变为原来的八分之一，因为它的质量能量损失速度变为原来的四倍，而初始质量却只有原来的一半。
所以如果你想製造一个能陪伴太阳走完剩余寿命的黑洞能量源，它的质量大约需要达到一亿吨，也就是一百兆吨，差不多是一座中等大小山丘的质量。
这个黑洞会在未来 40 亿年里，持续释放约 300 亿瓦的能量，这是极其巨大的能量，按照现代美国的电力消耗水平，足够为一千万人供电。
而且一百兆吨的质量，其实並不算多。
当然，从日常视角来看，这个质量依然十分庞大 —— 如果换成水，这些水足以將一座体育场灌满几十次，但海洋中蕴含的水的质量，超过十亿兆吨，而地球本身的质量约为六千万亿兆吨。
所以从宇宙的宏观尺度来看，这个质量根本不值一提。
儘管这个质量的黑洞能释放巨大的能量，且自身质量並不算大，但对於製造宇宙飞船来说，它的能量功率依然过低，而质量又过高了。
所以在之后讲解黑洞动力宇宙飞船的科普中，我们会关注质量约为一兆吨的微型黑洞。 ↑返回顶部↑