第256章 黑洞飞船（1/2）

李水旺新一期视频：

黑洞动力宇宙飞船和超光速旅行。

今天我要为大家讲解微型黑洞的概念，它们与普通黑洞有何不同，以及我们或许可以通过何种方式製造出微型黑洞。

要恰当地探討这个问题，我们得先讲讲霍金辐射，而要讲霍金辐射，又得先说说虚粒子。

但当我们谈论黑洞时，首先要澄清人们对黑洞普遍存在的诸多误解，那就是黑洞既不是“黑色的”，也不是“洞”。

“黑洞”这个术语直到20世纪60年代末才开始被使用，而有关黑洞的构想，早在爱因斯坦提出广义相对论之前就已经存在了。

其实早在美国独立战爭发生的那个年代，人们就首次探討过黑洞的相关构想。

人们提及的黑洞的诸多常见特徵，要么仅適用於由死亡恆星形成的自然黑洞，要么实际上描述的是黑洞內部那个密度无限大、可能呈点状的微小致密天体，也就是所谓的奇点。

但黑洞本身，其实就是宇宙中逃逸速度超过光速的任意一个区域，我们通常把这个区域称为事件视界，因为在这个边界之外，你无法看到边界另一侧发生的任何事件。

在事件视界的另一侧发生的任何事，任何事件，都无法被外部观测到，因为那里发出的光永远无法抵达你的眼中。

这並不意味著所有黑洞的密度都很大，比如许多星系中心那些巨型黑洞，其平均密度甚至比白矮星或中子星还要低。

而一个由整个星系的质量形成的黑洞，直径几乎能达到一光年，即便它包含了相当於一万亿颗恆星的物质，其平均密度也和我们呼吸的空气相差无几。

恆星级质量的黑洞密度极高，因为它们將一整颗恆星的质量压缩到了仅有数英里的范围內。

而更小的黑洞，密度甚至比恆星级黑洞还要大得多，一个山级质量的黑洞，大小大概和一颗弹珠相当，能轻鬆握在你的手心——至少在它把你撕碎並吸进去之前是这样。

有望被用作能量源的那些黑洞，比这种山级质量的黑洞还要小得多，而且它们其实並不会把你吸进去，因为它们的质量实在太小，根本无法对人体產生明显的引力拉扯。

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这些微型黑洞的体积也极小，这让它们吸收物质的过程变得十分困难，而霍金辐射会让这个问题雪上加霜，这一点我们稍后再细说。

如果我把整座小山——大约十几亿吨的物质压缩成一个黑洞，这个黑洞的大小大概和一个质子相当。

如果我们把它放在房间里的一个基座上，你站在房间的另一头会非常安全，但当你走到离它大约一臂远的地方时，它对你產生的引力拉扯，就几乎和地球对你的引力一样大了。

我们关注的绝大多数微型黑洞，质量甚至比这个质子大小的黑洞还要小。

而且在大多数情况下，如果不是因为它们会释放霍金辐射，你从它们旁边径直走过，也不会受到任何伤害。

但霍金辐射的影响不容忽视，因为我们很快就会发现，一颗普通的死亡恆星形成的黑洞，即便在十亿年的时间里，通过霍金辐射释放的能量，连让一个灯泡亮一毫秒都不够，而体积更小的黑洞则会释放出巨大的能量，並且黑洞的体积越小，释放的能量就越多。

我们刚才提到的这个十几亿吨质量的微型黑洞，释放的能量功率相当於一座核电站，或是一座大型水电站。

所以你站在房间另一头，不会被它的引力置死地，但它释放出的能量会把你烧成灰烬，因为即便是在一间相当大的房间的另一头，它的辐射强度也大约是正午阳光的一千倍。

在讲霍金辐射和虚粒子之前，我们必须先说说引力梯度和潮汐力。

你可能听说过，如果你朝著黑洞坠落，最终会被撕成碎片，这个现象在科学界的正式名称是“义大利面化”，因为你会被不断拉伸、变得细长，然后被撕裂。

就我个人而言，我不喜欢在谈论黑洞时提到这个现象，因为它会让人產生一些奇怪的认知，还会加深一种误解，即黑洞相比普通恆星来说，危险到了极致。

一颗恆星级质量的黑洞，要等你离它非常近的时候，才会把你撕碎，而在到达这个距离之前，你早就被这颗恆星原本的位置发出的辐射烧成原子尘埃了。

事实上，你需要离黑洞近到远小於行星与恆星之间的距离，才会遭遇这种情况；而且如果你朝著地球坠落，在到达大多数恆星级黑洞能產生潮汐撕裂效应的距离之前，你早就被大气层烧毁，然后撞击地面了。

当然，假设所有黑洞的中心都存在奇点，或者类奇点结构，那么在距离黑洞一定范围內，坠落的物体最终都会被撕碎。

但对於星系中心的超大质量黑洞来说，这个撕裂的距离远在事件视界內部，也就是说，你只有坠入事件视界之后，才会被撕碎；而对於微型黑洞来说，这个撕裂距离甚至小於大多数原子的直径。

造成这种差异的原因在所有黑洞身上都是相同的：引力是一种平方反比力。

当你与引力源的距离增加一倍，受到的引力就会减弱至原来的四分之一；当距离减半，受到的引力就会变为原来的四倍。

任何物体的底部受到的引力，都会比顶部受到的引力略小一点，毕竟物体的顶部离引力源会稍远一些。

在行星上，这种引力差异的影响也就仅此而已了，因为行星的质量是均匀分布的，即便你向地球內部深处钻探，引力也不会变得更强。

事实上，在地球的中心，引力是完全为零的，因为周围的物质呈对称分布，它们產生的引力会相互抵消，而不是像在地球表面那样，所有物质的引力都共同作用於你。

而黑洞的质量则是高度集中的，所以当你离黑洞非常近，近到你的头部到黑洞中心的距离，可能是脚部到黑洞中心距离的两倍时，你的头部受到的引力就只有脚部的四分之一。

如果你靠近的是一颗普通的黑洞，这种引力差异可能仅为百分之零点几，但即便是这百分之零点几的差异，对应的也是比地球引力大数百万倍的引力，所以依然会將你拉伸、撕裂。

这种潮汐力，也就是引力梯度，在小型黑洞身上尤为重要，因为这意味著，在一个极小的距离內——比如原子大小甚至更小的距离，引力的差异可能会达到极其巨大的程度；而对於大型黑洞来说，即便它们的整体引力极强，但在事件视界之外，哪怕只是原子直径那么小的距离变化，引力的差异也微乎其微。

记住这一点，我们后面还会提到。

小型黑洞的事件视界之外，潮汐力可能强到仅仅因为一个电子离黑洞的距离比原子的其他部分稍近一点，就將这个电子从原子中撕扯出来。

接下来我们说说虚粒子。

在物理学的核心领域，尤其是量子力学中，关於引力这类吸引力的作用原理，一直存在一个难题。

如果有两个正电荷，同性相斥，我们可以把这个过程想像成两个正电荷都在向外发射光子，这些光子相互碰撞，进而將两个正电荷推得更远。

但这个解释在解释吸引力时，就完全行不通了。

通常来说，你把一个棒球扔向別人，只会把对方推开，而不会把对方拉向自己。

所以在量子场论中，我们用一种名为“虚粒子”的东西解决了这个难题。

虚粒子无需遵循常规的物理规则，比如它们不一定拥有正质量、正动量、正能量，也不一定遵循光速限制，甚至不一定沿著时间的正方向运动。

虽然这些粒子確实是凭空出现的，但这个概念的理论基础，是量子力学的核心——不確定性原理。

不確定性原理指出，当我们研究极小尺度的物理现象时，某些成对的共軛物理量，比如位置和动量、能量和时间，其测量精度是存在极限的，无法同时被精確测量。

从概念上来说，这有点像零钱的最小单位，比如某件东西售价99美分，加上6%的销售税，你最终需要支付1.05美元，儘管99美分的106%实际上是1.0494美元，那千分之六美分的零头，就被四捨五入了。

我们的宇宙也有点类似，它无法精確记录那些极其微小的能量差值，而这个无法被精確记录的“最小误差”，就是普朗克常量。

许多传递相互作用力的粒子，比如调控弱核力的w玻色子和z玻色子，其质量实际上远大於发射它们的粒子的质量。

而弱核力的作用范围极其有限，原因就在於，这种凭空產生的巨大质量和能量，只能存在极短的时间，所以这些粒子还没来得及传播很远，就会消失，这也导致弱核力成为了短程力。

根据理论，虚粒子总是成对地凭空出现，我们如今將这种现象称为“量子泡沫”。

如果你听过真空能、零点能，或是卡西米尔效应相关的奇特现象，其根源都是这种量子泡沫。

而且我们已经在实验室中测量到了卡西米尔效应，所以这个理论並非凭空捏造，儘管它的核心是“物质凭空出现”。

虚粒子会成对地凭空產生，它们是彼此的反粒子，类似於正物质和反物质的关係。

这些粒子成对出现，紧挨在一起，几乎会在瞬间重新结合併湮灭。

虚粒子的能量和质量，不一定与其对应的实粒子完全相同，因为不確定性原理允许它们的物理量与常规值存在较大偏差。

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。

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