正文 第256章 黑洞飞船
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但这个解释在解释吸引力时，就完全行不通了。
通常来说，你把一个棒球扔向别人，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，甚至不一定沿着时间的正方向运动。
虽然这些粒子确实是凭空出现的，但这个概念的理论基础，是量子力学的核心——不确定性原理。
不确定性原理指出，当我们研究极小尺度的物理现象时，某些成对的共轭物理量，比如位置和动量、能量和时间，其测量精度是存在极限的，无法同时被精确测量。
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105美元，尽管99美分的106实际上是10494美元，那千分之六美分的零头，就被四舍五入了。
我们的宇宙也有点类似，它无法精确记录那些极其微小的能量差值，而这个无法被精确记录的“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，其质量实际上远大于发射它们的粒子的质量。
而弱核力的作用范围极其有限，原因就在于，这种凭空产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，我们如今将这种现象称为“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，所以这个理论并非凭空捏造，尽管它的核心是“物质凭空出现”。
虚粒子会成对地凭空产生，它们是彼此的反粒子，类似于正物质和反物质的关系。
这些粒子成对出现，紧挨在一起，几乎会在瞬间重新结合并湮灭。
虚粒子的能量和质量，不一定与其对应的实粒子完全相同，因为不确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，我们将实粒子的能量、质量和动量绘制成图时，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、随意。
换一种角度来看，虚粒子并非真正存在于时空之中，而是存在于时间的滴答间隙，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将构成物质的“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，关于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，但对于宇宙大爆炸这一事件，也没有任何理论能拿出确凿的证据，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产生，而这些粒子对几乎会立刻相互抵消、湮灭。
现在我们终于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，也在不断发生着虚粒子对的产生过程。
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，这些情况都不会产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，也无法产生相互作用，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，尽管大型黑洞的事件视界外侧有更大的空间，产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，产生的引力差异也极其巨大，足以将虚粒子对撕裂，将其中一个粒子拉入视界内，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。
我们还将这个过程称为“黑洞蒸发”，因为这意味着，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。
一颗恒星级质量的黑洞，可能每隔几年才会让一个虚光子逃离并转化为实粒子，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，这意味着如果将黑洞的质量减半，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。
所以如果你想制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，其实并不算多。
当然，从日常视角来看，这个质量依然十分庞大——如果换成水，这些水足以将一座体育场灌满几十次，但海洋中蕴含
但这个解释在解释吸引力时，就完全行不通了。
通常来说，你把一个棒球扔向别人，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，甚至不一定沿着时间的正方向运动。
虽然这些粒子确实是凭空出现的，但这个概念的理论基础，是量子力学的核心——不确定性原理。
不确定性原理指出，当我们研究极小尺度的物理现象时，某些成对的共轭物理量，比如位置和动量、能量和时间，其测量精度是存在极限的，无法同时被精确测量。
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105美元，尽管99美分的106实际上是10494美元，那千分之六美分的零头，就被四舍五入了。
我们的宇宙也有点类似，它无法精确记录那些极其微小的能量差值，而这个无法被精确记录的“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，其质量实际上远大于发射它们的粒子的质量。
而弱核力的作用范围极其有限，原因就在于，这种凭空产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，我们如今将这种现象称为“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，所以这个理论并非凭空捏造，尽管它的核心是“物质凭空出现”。
虚粒子会成对地凭空产生，它们是彼此的反粒子，类似于正物质和反物质的关系。
这些粒子成对出现，紧挨在一起，几乎会在瞬间重新结合并湮灭。
虚粒子的能量和质量，不一定与其对应的实粒子完全相同，因为不确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，我们将实粒子的能量、质量和动量绘制成图时，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、随意。
换一种角度来看，虚粒子并非真正存在于时空之中，而是存在于时间的滴答间隙，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将构成物质的“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，关于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，但对于宇宙大爆炸这一事件，也没有任何理论能拿出确凿的证据，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产生，而这些粒子对几乎会立刻相互抵消、湮灭。
现在我们终于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，也在不断发生着虚粒子对的产生过程。
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，这些情况都不会产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，也无法产生相互作用，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，尽管大型黑洞的事件视界外侧有更大的空间，产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，产生的引力差异也极其巨大，足以将虚粒子对撕裂，将其中一个粒子拉入视界内，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。
我们还将这个过程称为“黑洞蒸发”，因为这意味着，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。
一颗恒星级质量的黑洞，可能每隔几年才会让一个虚光子逃离并转化为实粒子，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，这意味着如果将黑洞的质量减半，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。
所以如果你想制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，其实并不算多。
当然，从日常视角来看，这个质量依然十分庞大——如果换成水，这些水足以将一座体育场灌满几十次，但海洋中蕴含
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