第256章 黑洞飛船
李水旺新一期視頻：
黑洞動力宇宙飛船和超光速旅行。
今天我要為大家講解微型黑洞的概念，它們與普通黑洞有何不同，以及我們或許可以通過何種方式製造出微型黑洞。
要恰當地探討這個問題，我們得先講講霍金輻射，而要講霍金輻射，又得先說說虛粒子。
但當我們談論黑洞時，首先要澄清人們對黑洞普遍存在的諸多誤解，那就是黑洞既不是 「黑色的」，也不是 「洞」。
「黑洞」 這個術語直到 20 世紀 60 年代末才開始被使用，而有關黑洞的構想，早在愛因斯坦提出廣義相對論之前就已經存在了。
其實早在美國獨立戰爭發生的那個年代，人們就首次探討過黑洞的相關構想。
人們提及的黑洞的諸多常見特徵，要麼僅適用於由死亡恆星形成的自然黑洞，要麼實際上描述的是黑洞內部那個密度無限大、可能呈點狀的微小緻密天體，也就是所謂的奇點。
但黑洞本身，其實就是宇宙中逃逸速度超過光速的任意一個區域，我們通常把這個區域稱為事件視界，因為在這個邊界之外，你無法看到邊界另一側發生的任何事件。
在事件視界的另一側發生的任何事，任何事件，都無法被外部觀測到，因為那裡發出的光永遠無法抵達你的眼中。
這並不意味著所有黑洞的密度都很大，比如許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還要低。
而一個由整個星系的質量形成的黑洞，直徑幾乎能達到一光年，即便它包含了相當於一萬億顆恆星的物質，其平均密度也和我們呼吸的空氣相差無幾。
恆星級質量的黑洞密度極高，因為它們將一整顆恆星的質量壓縮到了僅有數英里的範圍內。
而更小的黑洞，密度甚至比恆星級黑洞還要大得多，一個山級質量的黑洞，大小大概和一顆彈珠相當，能輕鬆握在你的手心 —— 至少在它把你撕碎並吸進去之前是這樣。
有望被用作能量源的那些黑洞，比這種山級質量的黑洞還要小得多，而且它們其實並不會把你吸進去，因為它們的質量實在太小，根本無法對人體產生明顯的引力拉扯。
這些微型黑洞的體積也極小，這讓它們吸收物質的過程變得十分困難，而霍金輻射會讓這個問題雪上加霜，這一點我們稍後再細說。
如果我把整座小山 —— 大約十幾億噸的物質壓縮成一個黑洞，這個黑洞的大小大概和一個質子相當。
如果我們把它放在房間裡的一個基座上，你站在房間的另一頭會非常安全，但當你走到離它大約一臂遠的地方時，它對你產生的引力拉扯，就幾乎和地球對你的引力一樣大了。
我們關注的絕大多數微型黑洞，質量甚至比這個質子大小的黑洞還要小。
而且在大多數情況下，如果不是因為它們會釋放霍金輻射，你從它們旁邊徑直走過，也不會受到任何傷害。
但霍金輻射的影響不容忽視，因為我們很快就會發現，一顆普通的死亡恆星形成的黑洞，即便在十億年的時間裡，通過霍金輻射釋放的能量，連讓一個燈泡亮一毫秒都不夠，而體積更小的黑洞則會釋放出巨大的能量，並且黑洞的體積越小，釋放的能量就越多。
我們剛才提到的這個十幾億噸質量的微型黑洞，釋放的能量功率相當於一座核電站，或是一座大型水電站。
所以你站在房間另一頭，不會被它的引力置死地，但它釋放出的能量會把你燒成灰燼，因為即便是在一間相當大的房間的另一頭，它的輻射強度也大約是正午陽光的一千倍。
在講霍金輻射和虛粒子之前，我們必須先說說引力梯度和潮汐力。
你可能聽說過，如果你朝著黑洞墜落，最終會被撕成碎片，這個現象在科學界的正式名稱是 「義大利面化」，因為你會被不斷拉伸、變得細長，然後被撕裂。
就我個人而言，我不喜歡在談論黑洞時提到這個現象，因為它會讓人產生一些奇怪的認知，還會加深一種誤解，即黑洞相比普通恆星來說，危險到了極致。
一顆恆星級質量的黑洞，要等你離它非常近的時候，才會把你撕碎，而在到達這個距離之前，你早就被這顆恆星原本的位置發出的輻射燒成原子塵埃了。
事實上，你需要離黑洞近到遠小於行星與恆星之間的距離，才會遭遇這種情況；而且如果你朝著地球墜落，在到達大多數恆星級黑洞能產生潮汐撕裂效應的距離之前，你早就被大氣層燒毀，然後撞擊地面了。
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當然，假設所有黑洞的中心都存在奇點，或者類奇點結構，那麼在距離黑洞一定範圍內，墜落的物體最終都會被撕碎。
但對於星系中心的超大質量黑洞來說，這個撕裂的距離遠在事件視界內部，也就是說，你只有墜入事件視界之後，才會被撕碎；而對於微型黑洞來說，這個撕裂距離甚至小於大多數原子的直徑。
造成這種差異的原因在所有黑洞身上都是相同的：引力是一種平方反比力。
當你與引力源的距離增加一倍，受到的引力就會減弱至原來的四分之一；當距離減半，受到的引力就會變為原來的四倍。
任何物體的底部受到的引力，都會比頂部受到的引力略小一點，畢竟物體的頂部離引力源會稍遠一些。
在行星上，這種引力差異的影響也就僅此而已了，因為行星的質量是均勻分布的，即便你向地球內部深處鑽探，引力也不會變得更強。
事實上，在地球的中心，引力是完全為零的，因為周圍的物質呈對稱分布，它們產生的引力會相互抵消，而不是像在地球表面那樣，所有物質的引力都共同作用於你。
而黑洞的質量則是高度集中的，所以當你離黑洞非常近，近到你的頭部到黑洞中心的距離，可能是腳部到黑洞中心距離的兩倍時，你的頭部受到的引力就只有腳部的四分之一。
如果你靠近的是一顆普通的黑洞，這種引力差異可能僅為百分之零點幾，但即便是這百分之零點幾的差異，對應的也是比地球引力大數百萬倍的引力，所以依然會將你拉伸、撕裂。
這種潮汐力，也就是引力梯度，在小型黑洞身上尤為重要，因為這意味著，在一個極小的距離內 —— 比如原子大小甚至更小的距離，引力的差異可能會達到極其巨大的程度；而對於大型黑洞來說，即便它們的整體引力極強，但在事件視界之外，哪怕只是原子直徑那么小的距離變化，引力的差異也微乎其微。
記住這一點，我們後面還會提到。
小型黑洞的事件視界之外，潮汐力可能強到僅僅因為一個電子離黑洞的距離比原子的其他部分稍近一點，就將這個電子從原子中撕扯出來。
接下來我們說說虛粒子。
在物理學的核心領域，尤其是量子力學中，關於引力這類吸引力的作用原理，一直存在一個難題。
如果有兩個正電荷，同性相斥，我們可以把這個過程想像成兩個正電荷都在向外發射光子，這些光子相互碰撞，進而將兩個正電荷推得更遠。
但這個解釋在解釋吸引力時，就完全行不通了。
通常來說，你把一個棒球扔向別人，只會把對方推開，而不會把對方拉向自己。
所以在量子場論中，我們用一種名為 「虛粒子」 的東西解決了這個難題。
虛粒子無需遵循常規的物理規則，比如它們不一定擁有正質量、正動量、正能量，也不一定遵循光速限制，甚至不一定沿著時間的正方向運動。
雖然這些粒子確實是憑空出現的，但這個概念的理論基礎，是量子力學的核心 —— 不確定性原理。
不確定性原理指出，當我們研究極小尺度的物理現象時，某些成對的共軛物理量，比如位置和動量、能量和時間，其測量精度是存在極限的，無法同時被精確測量。
從概念上來說，這有點像零錢的最小單位，比如某件東西售價 99 美分，加上 6% 的銷售稅，你最終需要支付 1.05 美元，儘管 99 美分的 106% 實際上是 1.0494 美元，那千分之六美分的零頭，就被四捨五入了。
我們的宇宙也有點類似，它無法精確記錄那些極其微小的能量差值，而這個無法被精確記錄的 「最小誤差」，就是普朗克常量。
許多傳遞相互作用力的粒子，比如調控弱核力的 W 玻色子和 Z 玻色子，其質量實際上遠大於發射它們的粒子的質量。
而弱核力的作用範圍極其有限，原因就在於，這種憑空產生的巨大質量和能量，只能存在極短的時間，所以這些粒子還沒來得及傳播很遠，就會消失，這也導致弱核力成為了短程力。
根據理論，虛粒子總是成對地憑空出現，我們如今將這種現象稱為 「量子泡沫」。
如果你聽過真空能、零點能，或是卡西米爾效應相關的奇特現象，其根源都是這種量子泡沫。
而且我們已經在實驗室中測量到了卡西米爾效應，所以這個理論並非憑空捏造，儘管它的核心是 「物質憑空出現」。
虛粒子會成對地憑空產生，它們是彼此的反粒子，類似於正物質和反物質的關係。
這些粒子成對出現，緊挨在一起，幾乎會在瞬間重新結合併湮滅。
虛粒子的能量和質量，不一定與其對應的實粒子完全相同，因為不確定性原理允許它們的物理量與常規值存在較大偏差。
在經典力學中，我們將實粒子的能量、質量和動量繪製成圖時，這些物理量會形成一個類似薄殼的雙曲面結構，所以我們稱普通的實物質為 「在殼」，或是 「在質量殼上」。
而虛粒子則是 「離殼」 的，從概念上來說，虛粒子的 「離殼程度」，在一定程度上反映了它的 「非實在性」，以及它存在的時間長短。
不過在某些情況下，虛粒子也可以轉化為實粒子，實粒子和虛粒子之間的界限，在一些場景中也可能變得模糊、隨意。
換一種角度來看，虛粒子並非真正存在於時空之中，而是存在於時間的滴答間隙，或是空間的縫隙之中。
我個人很喜歡這個比喻，因為虛粒子本質上就是將構成物質的 「磚塊」 粘合在一起的 「灰漿」。
我們所說的奇異物質，通常指的就是那些擁有負質量或負能量等特性的非虛粒子、實物質，而奇異物質會成為我們幾期之後的科普中，講解超光速旅行時的一個重要元素。
順帶一提，關於宇宙大爆炸的所有物質和能量的起源，有不少理論都與虛粒子，或是弦理論中的類似概念有關，比如認為整個宇宙就是一次巨大的真空漲落。
目前沒有太多證據支持這些理論，但對於宇宙大爆炸這一事件，也沒有任何理論能拿出確鑿的證據，而在這些天馬行空的理論中，虛粒子相關的理論算是比較有意思的一類。
但量子泡沫的基礎理論認為，虛粒子會在宇宙的各個角落不斷成對產生，而這些粒子對幾乎會立刻相互抵消、湮滅。
現在我們終於可以講講霍金輻射了，因為正如我之前所說，在極小的黑洞附近，事件視界周邊的潮汐力極強，即便一對虛粒子緊挨在一起，只要其中一個粒子離黑洞的距離，比另一個稍遠一點點，就會被這種巨大的引力差異撕裂。
正常情況下，和宇宙中其他地方一樣，黑洞事件視界外側的空間中，也在不斷發生著虛粒子對的產生過程。
有時候，成對的虛粒子都會逃離黑洞的引力範圍；有時候，兩個粒子都會墜入黑洞，這些情況都不會產生任何重要的物理效應，說白了，就是什麼都沒發生。
但偶爾，會有一個虛粒子墜入黑洞，而另一個則會飛離黑洞，事件視界的阻隔，讓這兩個粒子無法再重新結合，也無法產生相互作用，而黑洞會因此損失一小部分質量和能量 —— 在這個物理場景中，質量和能量的本質是相同的。
這個飛離的虛粒子會轉化為實粒子，通常是一個高能伽馬光子，但也可能是其他類型的粒子。
這種現象在大型黑洞周圍很少發生，幾乎可以說是從未出現過，儘管大型黑洞的事件視界外側有更大的空間，產生的虛粒子對數量也更多。
而在小型黑洞的事件視界周邊，即便是亞原子尺度的距離變化，產生的引力差異也極其巨大，足以將虛粒子對撕裂，將其中一個粒子拉入視界內，而且這種情況發生的頻率相當高。
這就導致黑洞會持續釋放能量，這種能量就是我們所說的霍金輻射，這個理論是史蒂芬・霍金在 1976 年提出的。
我們還將這個過程稱為 「黑洞蒸發」，因為這意味著，除非黑洞不斷吸收物質來補充質量，否則它的體積最終會不斷收縮，而且收縮的速度會越來越快。
一顆恆星級質量的黑洞，可能每隔幾年才會讓一個虛光子逃離並轉化為實粒子，因此它的蒸發過程需要耗費數千萬億億億億億年的時間。
而我們之前提到的那個十幾億噸質量、小山大小的微型黑洞，會持續釋放數百兆瓦的能量，其蒸發時間也僅有區區數萬億年 —— 這在宇宙尺度上，不過是彈指一揮間，也就比宇宙目前的年齡長几百倍而已。
而數百兆瓦的功率，已經是相當可觀的能量供應了，堪比大多數核反應堆的功率。
粗略來說，黑洞通過霍金輻射釋放的能量功率，與其質量的平方成反比，這意味著如果將黑洞的質量減半，它釋放的能量功率會變為原來的四倍。
同時，黑洞的壽命也會變為原來的八分之一，因為它的質量能量損失速度變為原來的四倍，而初始質量卻只有原來的一半。
所以如果你想製造一個能陪伴太陽走完剩餘壽命的黑洞能量源，它的質量大約需要達到一億噸，也就是一百兆噸，差不多是一座中等大小山丘的質量。
這個黑洞會在未來 40 億年裡，持續釋放約 300 億瓦的能量，這是極其巨大的能量，按照現代美國的電力消耗水平，足夠為一千萬人供電。
而且一百兆噸的質量，其實並不算多。
當然，從日常視角來看，這個質量依然十分龐大 —— 如果換成水，這些水足以將一座體育場灌滿幾十次，但海洋中蘊含的水的質量，超過十億兆噸，而地球本身的質量約為六千萬億兆噸。
所以從宇宙的宏觀尺度來看，這個質量根本不值一提。
儘管這個質量的黑洞能釋放巨大的能量，且自身質量並不算大，但對於製造宇宙飛船來說，它的能量功率依然過低，而質量又過高了。
所以在之後講解黑洞動力宇宙飛船的科普中，我們會關注質量約為一兆噸的微型黑洞。
至少在星際尺度下，這些質量的黑洞可以保持靜止，比如被用作空間站和行星的能量源，這種山丘質量級別的黑洞是絕佳選擇。
它們的壽命可達數百萬甚至數十億年，相比同等質量的太陽能板、風力渦輪機，或是石油、鈾這類依賴有限燃料的能源設備，能釋放出更多的能量，而且它們的體積遠小於成片的太陽能板或風力渦輪機，因為它們的大小比質子還要小。
但這也意味著，如果你在地球上製造出這樣一個黑洞，它會徑直墜向地球核心，然後再從地球的另一端飛出來，整個過程僅需 80 分鐘。
要知道，它的體積比原子還小，卻擁有和一顆自由墜落的小行星相當的慣性，它在運動過程中幾乎不會受到任何碰撞摩擦，只會以 80 分鐘為周期，在地球內部來回振盪，沿途留下一道灼燒的軌跡。
這也是為什麼我們並不擔心會在實驗室中意外製造出黑洞 —— 即便真的製造出了黑洞，它的質量也會遠小於一百兆噸，大概只有一粒沙子那麼重，其壽命短到我們只能用科學記數法來描述，會瞬間蒸發消失。
即便它沒有瞬間蒸發，也只會以 80 分鐘為周期，在地球內部來回穿梭（你可能也見過有資料說這個時間是 84 分鐘，這個時間指的是物體在無摩擦的真空環境中，穿過一個天體從一端到另一端再返回的時間，這個時間完全由天體的密度決定，與天體的體積無關）。
這個概念的核心就是 「引力火車」，而且新版的《全面回憶》電影中也出現過這個概念（不是老版的那部，我個人其實還挺喜歡新版的，儘管它不如老版經典）。
通常來說，我們會將引力火車的概念應用於同一大陸上兩座城市之間的近地短距離運輸，而非穿過地核的長途運輸。
簡單來說，你可以在兩座城市之間，比如紐約和克利夫蘭，搭建一條無摩擦的真空隧道，無需任何動力，就能藉助引力在兩座城市之間穿梭。
這是一個和本期主題無關但十分有趣的概念，我們之後可能會專門講解。
當然，也有一些方法能阻止黑洞墜向天體核心，最簡單的方法，或許就是將它放置在地球的地球靜止軌道上，然後將它釋放的能量傳輸到地面。
我知道我通常不太贊成能量無線傳輸的方式，因為一個能為一千萬人供電的能量束，也可以被當作致命的射線武器 —— 尤其是霍金輻射通常都是高能硬伽馬射線，但這個方法依然值得一提。
過一段時間，我會稍微講講微型黑洞的武器化應用，不過這次我們先略過這個話題。
關於超級武器的科普，這類話題確實有很多有趣的切入點，但如果我的 「超級反派氣質」 再重一點，我恐怕就要開始為我的秘密基地挑選地址了，所以這個話題先放一放。
想要隔絕伽馬射線，我們可以用鎢這類吸收性強、熔點極高的物質，將黑洞包裹起來。
對於這個能釋放 300 億瓦能量的山丘質量黑洞來說，我們需要一個直徑幾百英尺的鎢質球形外殼，這個外殼會被黑洞的輻射烤得通紅。
之後，我們可以用太陽能板收集這些能量，或者用經典的方式，利用這些熱量煮沸水，推動渦輪機發電 —— 不過在零重力環境下，這種發電裝置的結構設計，會和我們的常規認知大相逕庭。
製造黑洞同樣是一個難題，不過相比給黑洞補充質量、防止其爆炸來說，製造黑洞的難度還算小的，這一點我們下一期找機會再講。
因為用於宇宙飛船的黑洞，其壽命會讓我們不得不擔心它們發生爆炸的問題，但製造黑洞依然是一個巨大的技術難題。
不過從物理學角度來看，製造黑洞並非不可能，就我們目前所知，製造小型黑洞並不違反任何已知的物理定律。
當然，這一點始終無法被完全證實，因為我們對黑洞的了解還十分有限，甚至科學界還在爭論，黑洞本身是否可能違反物理定律。
製造超大質量的黑洞，在概念上其實很簡單：把大量物質擠壓在一起，就成了黑洞。
但物質本身具有斥力，並不容易被高度壓縮，而製造小型黑洞時，我們甚至無法藉助引力來幫助壓縮物質。
所以目前最受認可的理論方法，是利用雷射束的對撞來製造黑洞，因為光子是玻色子，與構成我們日常認知中幾乎所有普通物質的費米子不同，光子可以被無限緊密地聚集在一起。
可以說，光子是沒有實體的，所有玻色子都具有這樣的特性，無數個玻色子可以同時占據同一個空間位置。
當然，在這種極小的尺度下，空間和時間的概念本身，就已經變得有些不準確了。
如果你想了解更多細節，可以去查閱 「泡利不相容原理」 的相關資料。
所以，如果你將大量光子精準地瞄準同一個點，讓它們在同一時間抵達該位置，並在這個點上聚集足夠的能量，使其達到形成黑洞的臨界值，一個黑洞就誕生了。
通常來說，我們會使用伽馬射線來完成這個過程，因為伽馬射線的波長極短，而當你想要瞄準一個比原子核還小的點時，短波長是至關重要的。
要實現這個過程，需要極高的精準度，以及巨大的初始能量供應，不過我們可以通過讓光線在反射鏡等裝置中不斷反射，來逐步積累能量。
如果精準度足夠高，我們還能控制黑洞形成的初始條件，為它賦予我們想要的自旋狀態（或讓它完全不自旋），也能為它設定初始的運動速度和方向。
順帶一提，用這種方式製造的黑洞，其實並不能被稱為能量源，它更像是一個電池，因為我們需要向其中注入大量能量，才能將其製造出來，這相當於一次大規模的能量儲存。
幸運的是，太陽釋放的總能量，大約是抵達地球的太陽能的十億倍，如果你能利用太陽釋放的全部能量，來製造我們之前提到的那種一百兆噸質量、山丘大小的黑洞 —— 根據質能方程 E=mc²，這個黑洞蘊含的能量接近 10 的 28 次方焦耳，那麼你每分鐘都能製造出一個新的黑洞。
在這個場景下，黑洞雖然是一種電池，但由於我們能控制它的初始運動速度，而且黑洞本身就能產生巨大的推力。
這些黑洞電池，對於為遠離太陽的設備供電，或是製造小型緊湊的能量源來說，都是極其實用的。
相比之下，核聚變反應堆並不是電池，這也是為什麼我在談論未來的能量源時，總會提到核聚變。
但在作為宇宙飛船的電池或燃料方面，黑洞的性能遠遠超過核聚變，而且其維護難度也可能低得多。
黑洞動力宇宙飛船和超光速旅行。
今天我要為大家講解微型黑洞的概念，它們與普通黑洞有何不同，以及我們或許可以通過何種方式製造出微型黑洞。
要恰當地探討這個問題，我們得先講講霍金輻射，而要講霍金輻射，又得先說說虛粒子。
但當我們談論黑洞時，首先要澄清人們對黑洞普遍存在的諸多誤解，那就是黑洞既不是 「黑色的」，也不是 「洞」。
「黑洞」 這個術語直到 20 世紀 60 年代末才開始被使用，而有關黑洞的構想，早在愛因斯坦提出廣義相對論之前就已經存在了。
其實早在美國獨立戰爭發生的那個年代，人們就首次探討過黑洞的相關構想。
人們提及的黑洞的諸多常見特徵，要麼僅適用於由死亡恆星形成的自然黑洞，要麼實際上描述的是黑洞內部那個密度無限大、可能呈點狀的微小緻密天體，也就是所謂的奇點。
但黑洞本身，其實就是宇宙中逃逸速度超過光速的任意一個區域，我們通常把這個區域稱為事件視界，因為在這個邊界之外，你無法看到邊界另一側發生的任何事件。
在事件視界的另一側發生的任何事，任何事件，都無法被外部觀測到，因為那裡發出的光永遠無法抵達你的眼中。
這並不意味著所有黑洞的密度都很大，比如許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還要低。
而一個由整個星系的質量形成的黑洞，直徑幾乎能達到一光年，即便它包含了相當於一萬億顆恆星的物質，其平均密度也和我們呼吸的空氣相差無幾。
恆星級質量的黑洞密度極高，因為它們將一整顆恆星的質量壓縮到了僅有數英里的範圍內。
而更小的黑洞，密度甚至比恆星級黑洞還要大得多，一個山級質量的黑洞，大小大概和一顆彈珠相當，能輕鬆握在你的手心 —— 至少在它把你撕碎並吸進去之前是這樣。
有望被用作能量源的那些黑洞，比這種山級質量的黑洞還要小得多，而且它們其實並不會把你吸進去，因為它們的質量實在太小，根本無法對人體產生明顯的引力拉扯。
這些微型黑洞的體積也極小，這讓它們吸收物質的過程變得十分困難，而霍金輻射會讓這個問題雪上加霜，這一點我們稍後再細說。
如果我把整座小山 —— 大約十幾億噸的物質壓縮成一個黑洞，這個黑洞的大小大概和一個質子相當。
如果我們把它放在房間裡的一個基座上，你站在房間的另一頭會非常安全，但當你走到離它大約一臂遠的地方時，它對你產生的引力拉扯，就幾乎和地球對你的引力一樣大了。
我們關注的絕大多數微型黑洞，質量甚至比這個質子大小的黑洞還要小。
而且在大多數情況下，如果不是因為它們會釋放霍金輻射，你從它們旁邊徑直走過，也不會受到任何傷害。
但霍金輻射的影響不容忽視，因為我們很快就會發現，一顆普通的死亡恆星形成的黑洞，即便在十億年的時間裡，通過霍金輻射釋放的能量，連讓一個燈泡亮一毫秒都不夠，而體積更小的黑洞則會釋放出巨大的能量，並且黑洞的體積越小，釋放的能量就越多。
我們剛才提到的這個十幾億噸質量的微型黑洞，釋放的能量功率相當於一座核電站，或是一座大型水電站。
所以你站在房間另一頭，不會被它的引力置死地，但它釋放出的能量會把你燒成灰燼，因為即便是在一間相當大的房間的另一頭，它的輻射強度也大約是正午陽光的一千倍。
在講霍金輻射和虛粒子之前，我們必須先說說引力梯度和潮汐力。
你可能聽說過，如果你朝著黑洞墜落，最終會被撕成碎片，這個現象在科學界的正式名稱是 「義大利面化」，因為你會被不斷拉伸、變得細長，然後被撕裂。
就我個人而言，我不喜歡在談論黑洞時提到這個現象，因為它會讓人產生一些奇怪的認知，還會加深一種誤解，即黑洞相比普通恆星來說，危險到了極致。
一顆恆星級質量的黑洞，要等你離它非常近的時候，才會把你撕碎，而在到達這個距離之前，你早就被這顆恆星原本的位置發出的輻射燒成原子塵埃了。
事實上，你需要離黑洞近到遠小於行星與恆星之間的距離，才會遭遇這種情況；而且如果你朝著地球墜落，在到達大多數恆星級黑洞能產生潮汐撕裂效應的距離之前，你早就被大氣層燒毀，然後撞擊地面了。
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當然，假設所有黑洞的中心都存在奇點，或者類奇點結構，那麼在距離黑洞一定範圍內，墜落的物體最終都會被撕碎。
但對於星系中心的超大質量黑洞來說，這個撕裂的距離遠在事件視界內部，也就是說，你只有墜入事件視界之後，才會被撕碎；而對於微型黑洞來說，這個撕裂距離甚至小於大多數原子的直徑。
造成這種差異的原因在所有黑洞身上都是相同的：引力是一種平方反比力。
當你與引力源的距離增加一倍，受到的引力就會減弱至原來的四分之一；當距離減半，受到的引力就會變為原來的四倍。
任何物體的底部受到的引力，都會比頂部受到的引力略小一點，畢竟物體的頂部離引力源會稍遠一些。
在行星上，這種引力差異的影響也就僅此而已了，因為行星的質量是均勻分布的，即便你向地球內部深處鑽探，引力也不會變得更強。
事實上，在地球的中心，引力是完全為零的，因為周圍的物質呈對稱分布，它們產生的引力會相互抵消，而不是像在地球表面那樣，所有物質的引力都共同作用於你。
而黑洞的質量則是高度集中的，所以當你離黑洞非常近，近到你的頭部到黑洞中心的距離，可能是腳部到黑洞中心距離的兩倍時，你的頭部受到的引力就只有腳部的四分之一。
如果你靠近的是一顆普通的黑洞，這種引力差異可能僅為百分之零點幾，但即便是這百分之零點幾的差異，對應的也是比地球引力大數百萬倍的引力，所以依然會將你拉伸、撕裂。
這種潮汐力，也就是引力梯度，在小型黑洞身上尤為重要，因為這意味著，在一個極小的距離內 —— 比如原子大小甚至更小的距離，引力的差異可能會達到極其巨大的程度；而對於大型黑洞來說，即便它們的整體引力極強，但在事件視界之外，哪怕只是原子直徑那么小的距離變化，引力的差異也微乎其微。
記住這一點，我們後面還會提到。
小型黑洞的事件視界之外，潮汐力可能強到僅僅因為一個電子離黑洞的距離比原子的其他部分稍近一點，就將這個電子從原子中撕扯出來。
接下來我們說說虛粒子。
在物理學的核心領域，尤其是量子力學中，關於引力這類吸引力的作用原理，一直存在一個難題。
如果有兩個正電荷，同性相斥，我們可以把這個過程想像成兩個正電荷都在向外發射光子，這些光子相互碰撞，進而將兩個正電荷推得更遠。
但這個解釋在解釋吸引力時，就完全行不通了。
通常來說，你把一個棒球扔向別人，只會把對方推開，而不會把對方拉向自己。
所以在量子場論中，我們用一種名為 「虛粒子」 的東西解決了這個難題。
虛粒子無需遵循常規的物理規則，比如它們不一定擁有正質量、正動量、正能量，也不一定遵循光速限制，甚至不一定沿著時間的正方向運動。
雖然這些粒子確實是憑空出現的，但這個概念的理論基礎，是量子力學的核心 —— 不確定性原理。
不確定性原理指出，當我們研究極小尺度的物理現象時，某些成對的共軛物理量，比如位置和動量、能量和時間，其測量精度是存在極限的，無法同時被精確測量。
從概念上來說，這有點像零錢的最小單位，比如某件東西售價 99 美分，加上 6% 的銷售稅，你最終需要支付 1.05 美元，儘管 99 美分的 106% 實際上是 1.0494 美元，那千分之六美分的零頭，就被四捨五入了。
我們的宇宙也有點類似，它無法精確記錄那些極其微小的能量差值，而這個無法被精確記錄的 「最小誤差」，就是普朗克常量。
許多傳遞相互作用力的粒子，比如調控弱核力的 W 玻色子和 Z 玻色子，其質量實際上遠大於發射它們的粒子的質量。
而弱核力的作用範圍極其有限，原因就在於，這種憑空產生的巨大質量和能量，只能存在極短的時間，所以這些粒子還沒來得及傳播很遠，就會消失，這也導致弱核力成為了短程力。
根據理論，虛粒子總是成對地憑空出現，我們如今將這種現象稱為 「量子泡沫」。
如果你聽過真空能、零點能，或是卡西米爾效應相關的奇特現象，其根源都是這種量子泡沫。
而且我們已經在實驗室中測量到了卡西米爾效應，所以這個理論並非憑空捏造，儘管它的核心是 「物質憑空出現」。
虛粒子會成對地憑空產生，它們是彼此的反粒子，類似於正物質和反物質的關係。
這些粒子成對出現，緊挨在一起，幾乎會在瞬間重新結合併湮滅。
虛粒子的能量和質量，不一定與其對應的實粒子完全相同，因為不確定性原理允許它們的物理量與常規值存在較大偏差。
在經典力學中，我們將實粒子的能量、質量和動量繪製成圖時，這些物理量會形成一個類似薄殼的雙曲面結構，所以我們稱普通的實物質為 「在殼」，或是 「在質量殼上」。
而虛粒子則是 「離殼」 的，從概念上來說，虛粒子的 「離殼程度」，在一定程度上反映了它的 「非實在性」，以及它存在的時間長短。
不過在某些情況下，虛粒子也可以轉化為實粒子，實粒子和虛粒子之間的界限，在一些場景中也可能變得模糊、隨意。
換一種角度來看，虛粒子並非真正存在於時空之中，而是存在於時間的滴答間隙，或是空間的縫隙之中。
我個人很喜歡這個比喻，因為虛粒子本質上就是將構成物質的 「磚塊」 粘合在一起的 「灰漿」。
我們所說的奇異物質，通常指的就是那些擁有負質量或負能量等特性的非虛粒子、實物質，而奇異物質會成為我們幾期之後的科普中，講解超光速旅行時的一個重要元素。
順帶一提，關於宇宙大爆炸的所有物質和能量的起源，有不少理論都與虛粒子，或是弦理論中的類似概念有關，比如認為整個宇宙就是一次巨大的真空漲落。
目前沒有太多證據支持這些理論，但對於宇宙大爆炸這一事件，也沒有任何理論能拿出確鑿的證據，而在這些天馬行空的理論中，虛粒子相關的理論算是比較有意思的一類。
但量子泡沫的基礎理論認為，虛粒子會在宇宙的各個角落不斷成對產生，而這些粒子對幾乎會立刻相互抵消、湮滅。
現在我們終於可以講講霍金輻射了，因為正如我之前所說，在極小的黑洞附近，事件視界周邊的潮汐力極強，即便一對虛粒子緊挨在一起，只要其中一個粒子離黑洞的距離，比另一個稍遠一點點，就會被這種巨大的引力差異撕裂。
正常情況下，和宇宙中其他地方一樣，黑洞事件視界外側的空間中，也在不斷發生著虛粒子對的產生過程。
有時候，成對的虛粒子都會逃離黑洞的引力範圍；有時候，兩個粒子都會墜入黑洞，這些情況都不會產生任何重要的物理效應，說白了，就是什麼都沒發生。
但偶爾，會有一個虛粒子墜入黑洞，而另一個則會飛離黑洞，事件視界的阻隔，讓這兩個粒子無法再重新結合，也無法產生相互作用，而黑洞會因此損失一小部分質量和能量 —— 在這個物理場景中，質量和能量的本質是相同的。
這個飛離的虛粒子會轉化為實粒子，通常是一個高能伽馬光子，但也可能是其他類型的粒子。
這種現象在大型黑洞周圍很少發生，幾乎可以說是從未出現過，儘管大型黑洞的事件視界外側有更大的空間，產生的虛粒子對數量也更多。
而在小型黑洞的事件視界周邊，即便是亞原子尺度的距離變化，產生的引力差異也極其巨大，足以將虛粒子對撕裂，將其中一個粒子拉入視界內，而且這種情況發生的頻率相當高。
這就導致黑洞會持續釋放能量，這種能量就是我們所說的霍金輻射，這個理論是史蒂芬・霍金在 1976 年提出的。
我們還將這個過程稱為 「黑洞蒸發」，因為這意味著，除非黑洞不斷吸收物質來補充質量，否則它的體積最終會不斷收縮，而且收縮的速度會越來越快。
一顆恆星級質量的黑洞，可能每隔幾年才會讓一個虛光子逃離並轉化為實粒子，因此它的蒸發過程需要耗費數千萬億億億億億年的時間。
而我們之前提到的那個十幾億噸質量、小山大小的微型黑洞，會持續釋放數百兆瓦的能量，其蒸發時間也僅有區區數萬億年 —— 這在宇宙尺度上，不過是彈指一揮間，也就比宇宙目前的年齡長几百倍而已。
而數百兆瓦的功率，已經是相當可觀的能量供應了，堪比大多數核反應堆的功率。
粗略來說，黑洞通過霍金輻射釋放的能量功率，與其質量的平方成反比，這意味著如果將黑洞的質量減半，它釋放的能量功率會變為原來的四倍。
同時，黑洞的壽命也會變為原來的八分之一，因為它的質量能量損失速度變為原來的四倍，而初始質量卻只有原來的一半。
所以如果你想製造一個能陪伴太陽走完剩餘壽命的黑洞能量源，它的質量大約需要達到一億噸，也就是一百兆噸，差不多是一座中等大小山丘的質量。
這個黑洞會在未來 40 億年裡，持續釋放約 300 億瓦的能量，這是極其巨大的能量，按照現代美國的電力消耗水平，足夠為一千萬人供電。
而且一百兆噸的質量，其實並不算多。
當然，從日常視角來看，這個質量依然十分龐大 —— 如果換成水，這些水足以將一座體育場灌滿幾十次，但海洋中蘊含的水的質量，超過十億兆噸，而地球本身的質量約為六千萬億兆噸。
所以從宇宙的宏觀尺度來看，這個質量根本不值一提。
儘管這個質量的黑洞能釋放巨大的能量，且自身質量並不算大，但對於製造宇宙飛船來說，它的能量功率依然過低，而質量又過高了。
所以在之後講解黑洞動力宇宙飛船的科普中，我們會關注質量約為一兆噸的微型黑洞。
至少在星際尺度下，這些質量的黑洞可以保持靜止，比如被用作空間站和行星的能量源，這種山丘質量級別的黑洞是絕佳選擇。
它們的壽命可達數百萬甚至數十億年，相比同等質量的太陽能板、風力渦輪機，或是石油、鈾這類依賴有限燃料的能源設備，能釋放出更多的能量，而且它們的體積遠小於成片的太陽能板或風力渦輪機，因為它們的大小比質子還要小。
但這也意味著，如果你在地球上製造出這樣一個黑洞，它會徑直墜向地球核心，然後再從地球的另一端飛出來，整個過程僅需 80 分鐘。
要知道，它的體積比原子還小，卻擁有和一顆自由墜落的小行星相當的慣性，它在運動過程中幾乎不會受到任何碰撞摩擦，只會以 80 分鐘為周期，在地球內部來回振盪，沿途留下一道灼燒的軌跡。
這也是為什麼我們並不擔心會在實驗室中意外製造出黑洞 —— 即便真的製造出了黑洞，它的質量也會遠小於一百兆噸，大概只有一粒沙子那麼重，其壽命短到我們只能用科學記數法來描述，會瞬間蒸發消失。
即便它沒有瞬間蒸發，也只會以 80 分鐘為周期，在地球內部來回穿梭（你可能也見過有資料說這個時間是 84 分鐘，這個時間指的是物體在無摩擦的真空環境中，穿過一個天體從一端到另一端再返回的時間，這個時間完全由天體的密度決定，與天體的體積無關）。
這個概念的核心就是 「引力火車」，而且新版的《全面回憶》電影中也出現過這個概念（不是老版的那部，我個人其實還挺喜歡新版的，儘管它不如老版經典）。
通常來說，我們會將引力火車的概念應用於同一大陸上兩座城市之間的近地短距離運輸，而非穿過地核的長途運輸。
簡單來說，你可以在兩座城市之間，比如紐約和克利夫蘭，搭建一條無摩擦的真空隧道，無需任何動力，就能藉助引力在兩座城市之間穿梭。
這是一個和本期主題無關但十分有趣的概念，我們之後可能會專門講解。
當然，也有一些方法能阻止黑洞墜向天體核心，最簡單的方法，或許就是將它放置在地球的地球靜止軌道上，然後將它釋放的能量傳輸到地面。
我知道我通常不太贊成能量無線傳輸的方式，因為一個能為一千萬人供電的能量束，也可以被當作致命的射線武器 —— 尤其是霍金輻射通常都是高能硬伽馬射線，但這個方法依然值得一提。
過一段時間，我會稍微講講微型黑洞的武器化應用，不過這次我們先略過這個話題。
關於超級武器的科普，這類話題確實有很多有趣的切入點，但如果我的 「超級反派氣質」 再重一點，我恐怕就要開始為我的秘密基地挑選地址了，所以這個話題先放一放。
想要隔絕伽馬射線，我們可以用鎢這類吸收性強、熔點極高的物質，將黑洞包裹起來。
對於這個能釋放 300 億瓦能量的山丘質量黑洞來說，我們需要一個直徑幾百英尺的鎢質球形外殼，這個外殼會被黑洞的輻射烤得通紅。
之後，我們可以用太陽能板收集這些能量，或者用經典的方式，利用這些熱量煮沸水，推動渦輪機發電 —— 不過在零重力環境下，這種發電裝置的結構設計，會和我們的常規認知大相逕庭。
製造黑洞同樣是一個難題，不過相比給黑洞補充質量、防止其爆炸來說，製造黑洞的難度還算小的，這一點我們下一期找機會再講。
因為用於宇宙飛船的黑洞，其壽命會讓我們不得不擔心它們發生爆炸的問題，但製造黑洞依然是一個巨大的技術難題。
不過從物理學角度來看，製造黑洞並非不可能，就我們目前所知，製造小型黑洞並不違反任何已知的物理定律。
當然，這一點始終無法被完全證實，因為我們對黑洞的了解還十分有限，甚至科學界還在爭論，黑洞本身是否可能違反物理定律。
製造超大質量的黑洞，在概念上其實很簡單：把大量物質擠壓在一起，就成了黑洞。
但物質本身具有斥力，並不容易被高度壓縮，而製造小型黑洞時，我們甚至無法藉助引力來幫助壓縮物質。
所以目前最受認可的理論方法，是利用雷射束的對撞來製造黑洞，因為光子是玻色子，與構成我們日常認知中幾乎所有普通物質的費米子不同，光子可以被無限緊密地聚集在一起。
可以說，光子是沒有實體的，所有玻色子都具有這樣的特性，無數個玻色子可以同時占據同一個空間位置。
當然，在這種極小的尺度下，空間和時間的概念本身，就已經變得有些不準確了。
如果你想了解更多細節，可以去查閱 「泡利不相容原理」 的相關資料。
所以，如果你將大量光子精準地瞄準同一個點，讓它們在同一時間抵達該位置，並在這個點上聚集足夠的能量，使其達到形成黑洞的臨界值，一個黑洞就誕生了。
通常來說，我們會使用伽馬射線來完成這個過程，因為伽馬射線的波長極短，而當你想要瞄準一個比原子核還小的點時，短波長是至關重要的。
要實現這個過程，需要極高的精準度，以及巨大的初始能量供應，不過我們可以通過讓光線在反射鏡等裝置中不斷反射，來逐步積累能量。
如果精準度足夠高，我們還能控制黑洞形成的初始條件，為它賦予我們想要的自旋狀態（或讓它完全不自旋），也能為它設定初始的運動速度和方向。
順帶一提，用這種方式製造的黑洞，其實並不能被稱為能量源，它更像是一個電池，因為我們需要向其中注入大量能量，才能將其製造出來，這相當於一次大規模的能量儲存。
幸運的是，太陽釋放的總能量，大約是抵達地球的太陽能的十億倍，如果你能利用太陽釋放的全部能量，來製造我們之前提到的那種一百兆噸質量、山丘大小的黑洞 —— 根據質能方程 E=mc²，這個黑洞蘊含的能量接近 10 的 28 次方焦耳，那麼你每分鐘都能製造出一個新的黑洞。
在這個場景下，黑洞雖然是一種電池，但由於我們能控制它的初始運動速度，而且黑洞本身就能產生巨大的推力。
這些黑洞電池，對於為遠離太陽的設備供電，或是製造小型緊湊的能量源來說，都是極其實用的。
相比之下，核聚變反應堆並不是電池，這也是為什麼我在談論未來的能量源時，總會提到核聚變。
但在作為宇宙飛船的電池或燃料方面，黑洞的性能遠遠超過核聚變，而且其維護難度也可能低得多。