第256章 黑洞飞船（2/2）
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。
至少在星际尺度下，这些质量的黑洞可以保持静止，比如被用作空间站和行星的能量源，这种山丘质量级別的黑洞是绝佳选择。
它们的寿命可达数百万甚至数十亿年，相比同等质量的太阳能板、风力涡轮机，或是石油、铀这类依赖有限燃料的能源设备，能释放出更多的能量，而且它们的体积远小於成片的太阳能板或风力涡轮机，因为它们的大小比质子还要小。
但这也意味著，如果你在地球上製造出这样一个黑洞，它会径直坠向地球核心，然后再从地球的另一端飞出来，整个过程仅需80分钟。
要知道，它的体积比原子还小，却拥有和一颗自由坠落的小行星相当的惯性，它在运动过程中几乎不会受到任何碰撞摩擦，只会以80分钟为周期，在地球內部来回振盪，沿途留下一道灼烧的轨跡。
这也是为什么我们並不担心会在实验室中意外製造出黑洞——即便真的製造出了黑洞，它的质量也会远小於一百兆吨，大概只有一粒沙子那么重，其寿命短到我们只能用科学记数法来描述，会瞬间蒸发消失。
即便它没有瞬间蒸发，也只会以80分钟为周期，在地球內部来回穿梭（你可能也见过有资料说这个时间是84分钟，这个时间指的是物体在无摩擦的真空环境中，穿过一个天体从一端到另一端再返回的时间，这个时间完全由天体的密度决定，与天体的体积无关）。
这个概念的核心就是“引力火车”，而且新版的《全面回忆》电影中也出现过这个概念（不是老版的那部，我个人其实还挺喜欢新版的，儘管它不如老版经典）。
通常来说，我们会將引力火车的概念应用於同一大陆上两座城市之间的近地短距离运输，而非穿过地核的长途运输。
简单来说，你可以在两座城市之间，比如纽约和克利夫兰，搭建一条无摩擦的真空隧道，无需任何动力，就能藉助引力在两座城市之间穿梭。
这是一个和本期主题无关但十分有趣的概念，我们之后可能会专门讲解。
当然，也有一些方法能阻止黑洞坠向天体核心，最简单的方法，或许就是將它放置在地球的地球静止轨道上，然后將它释放的能量传输到地面。
我知道我通常不太赞成能量无线传输的方式，因为一个能为一千万人供电的能量束，也可以被当作致命的射线武器——尤其是霍金辐射通常都是高能硬伽马射线，但这个方法依然值得一提。
过一段时间，我会稍微讲讲微型黑洞的武器化应用，不过这次我们先略过这个话题。
关於超级武器的科普，这类话题確实有很多有趣的切入点，但如果我的“超级反派气质”再重一点，我恐怕就要开始为我的秘密基地挑选地址了，所以这个话题先放一放。
想要隔绝伽马射线，我们可以用钨这类吸收性强、熔点极高的物质，將黑洞包裹起来。
对於这个能释放300亿瓦能量的山丘质量黑洞来说，我们需要一个直径几百英尺的钨质球形外壳，这个外壳会被黑洞的辐射烤得通红。
之后，我们可以用太阳能板收集这些能量，或者用经典的方式，利用这些热量煮沸水，推动涡轮机发电——不过在零重力环境下，这种发电装置的结构设计，会和我们的常规认知大相逕庭。
製造黑洞同样是一个难题，不过相比给黑洞补充质量、防止其爆炸来说，製造黑洞的难度还算小的，这一点我们下一期找机会再讲。
因为用於宇宙飞船的黑洞，其寿命会让我们不得不担心它们发生爆炸的问题，但製造黑洞依然是一个巨大的技术难题。
不过从物理学角度来看，製造黑洞並非不可能，就我们目前所知，製造小型黑洞並不违反任何已知的物理定律。
当然，这一点始终无法被完全证实，因为我们对黑洞的了解还十分有限，甚至科学界还在爭论，黑洞本身是否可能违反物理定律。
製造超大质量的黑洞，在概念上其实很简单：把大量物质挤压在一起，就成了黑洞。
但物质本身具有斥力，並不容易被高度压缩，而製造小型黑洞时，我们甚至无法藉助引力来帮助压缩物质。
所以目前最受认可的理论方法，是利用雷射束的对撞来製造黑洞，因为光子是玻色子，与构成我们日常认知中几乎所有普通物质的费米子不同，光子可以被无限紧密地聚集在一起。
可以说，光子是没有实体的，所有玻色子都具有这样的特性，无数个玻色子可以同时占据同一个空间位置。
当然，在这种极小的尺度下，空间和时间的概念本身，就已经变得有些不准確了。
如果你想了解更多细节，可以去查阅“泡利不相容原理”的相关资料。
所以，如果你將大量光子精准地瞄准同一个点，让它们在同一时间抵达该位置，並在这个点上聚集足够的能量，使其达到形成黑洞的临界值，一个黑洞就诞生了。
通常来说，我们会使用伽马射线来完成这个过程，因为伽马射线的波长极短，而当你想要瞄准一个比原子核还小的点时，短波长是至关重要的。
要实现这个过程，需要极高的精准度，以及巨大的初始能量供应，不过我们可以通过让光线在反射镜等装置中不断反射，来逐步积累能量。
如果精准度足够高，我们还能控制黑洞形成的初始条件，为它赋予我们想要的自旋状態（或让它完全不自旋），也能为它设定初始的运动速度和方向。
顺带一提，用这种方式製造的黑洞，其实並不能被称为能量源，它更像是一个电池，因为我们需要向其中注入大量能量，才能將其製造出来，这相当於一次大规模的能量储存。
幸运的是，太阳释放的总能量，大约是抵达地球的太阳能的十亿倍，如果你能利用太阳释放的全部能量，来製造我们之前提到的那种一百兆吨质量、山丘大小的黑洞——根据质能方程e=c2，这个黑洞蕴含的能量接近10的28次方焦耳，那么你每分钟都能製造出一个新的黑洞。
在这个场景下，黑洞虽然是一种电池，但由於我们能控制它的初始运动速度，而且黑洞本身就能產生巨大的推力。
这些黑洞电池，对於为远离太阳的设备供电，或是製造小型紧凑的能量源来说，都是极其实用的。
相比之下，核聚变反应堆並不是电池，这也是为什么我在谈论未来的能量源时，总会提到核聚变。
但在作为宇宙飞船的电池或燃料方面，黑洞的性能远远超过核聚变，而且其维护难度也可能低得多。