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第二十四章 势能壁垒与穿越隧道

星途(星云第二部) 秋叶-2021 4252 2024-07-17 12:49
   量子隧穿效应在自然界最重要应用之一就是体现在恒星核聚变反应中。在恒星中引发长期稳定的核聚变最关键机制就是量子隧穿效应。通常一颗中等的恒星其中心的温度大约为一万多摄氏度。太阳系的主恒星太阳也是一颗光谱为G2V的黄矮星,一般黄矮星的寿命大约为100亿年,目前的太阳大约已经走完了45.7亿年的时光岁月。大约在50至60亿年之后,太阳内部的氢元素将会全部消耗尽,太阳的核心将发生坍缩,更多物质的堆积,将产生更多的热能从而导致温度上升,这一过程将一直持续到太阳开始把氦元素聚变成碳元素。虽然氦聚变产生的能量比氢聚变产生的能量要少,但核聚变反应的温度却会变得更高。更高的核聚变反应温度将会产生更强的光热辐射,而更强的光热辐射会使得太阳的外层壳体膨胀,并且将一部分外层大气释放到太空中。当转向制造新元素的过程结束时,太阳的质量将稍微下降,外层壳体将延伸到地球或者火星目前运行的轨道处。由于太阳自身的质量下降,所产生的引力也会下降,使得这两颗行星会离太阳更远。太阳也是一种靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度大约为一万五千摄氏度,除了高温,太阳的核心区域还会有巨大的压力来约束核聚变反应。使之能够保持长期稳定的核聚变“燃烧”。    核聚变反应需要超高的温度、压力等条件。在恒星内部的核心区域可以满足这样的条件,太阳的核心区域发生的核聚变反应主要是氢元素,由于太阳中的氢元素核聚变反应是不可控的,其结果使得核心区域发生体积膨胀、压力降低,这样的状况会使得太阳的核心区域暂时失去核聚变的条件。当量子隧穿效应参与了太阳中的核聚变反应以后。就会让核聚变反应与巨大引力所造成的塌缩效果达到一种动态平衡,从而使得太阳以一种相对缓慢的速度“燃烧”核聚变的氢元素材料,使得其在主序星阶段的周期延长。而质量更大的恒星,由于更大的质量所具有的引力更大,燃烧的温度更高。核聚变反应更剧烈,因此其寿命也会越短。中质量(超过2.25个太阳质量)和大质量(超过9个太阳)的恒星,其氢元素核聚变反应会在环绕核心周围的壳体层中进行,最后导致核心区域被压缩至可以转入氦元素核聚变的过程。同时恒星的半径也会逐渐缩小,且表面的温度增高。更大的恒星的核心区域会直接从氢聚变进入氦聚变。当恒星进入逐渐缩小周期也会,恒星表面辐射的强度就会加强,产生的辐射压会将恒星外层的壳体层被向外推送,脱离恒星本体形成一种弥散态的行星状星云。当恒星的外层壳体的气体被推出之后,恒星残余的质量低于1.4倍太阳质量时,这一颗进入末期的恒星,将会收缩成为与地球同样大小的白矮星。    在量子隧穿效应中可以解释原子核的阿尔法衰变。而在经典力学里,微小粒子会被牢牢地束缚于原子核内,这些微小粒子需要超强的能量才能克服原子核的束缚势能逃出原子核的位势圈。经典力学的理论无法解释阿尔法衰变。而在量子力学里,这些微小粒子并不需要具有比位势还要高的能量才能逃出原子核的束缚;微小粒子能够以一种概率性的波动共振方式穿越过原子核的位势圈,从而跳出原子核的束缚。低能量质子或阿尔法粒子可以穿越进入原子核,不管它们的能量是否高过位势垒的高度。这一种谐振隧穿的物理机制引申出隧道二极管,隧道二极管展示出固态的电子隧穿性质。隧道二极管也是首个被发明的量子电子器件。在超导体中也会出现量子隧穿效应,并由此展示出超导体所具有的能隙。超电流可以穿越过在两个超导体之间由一薄层绝缘氧化物形成的位势障碍,这是因为成对电子(库柏对)所形成的穿越动作。    在恒星里发生的核聚变的关键机制是量子隧穿效应。要在恒星的核心区域实现氢元素的核聚变反应,氢元素的原子核就必须具有足够能量来克服库仑位势垒,使得原子核与原子核之间的距离小于10nm,这将需要原子核拥有正常时期近1000倍的热动能。因此,单独依靠热动能并不能克服库仑位势垒来促成核聚变。在加入了量子隧穿效应以后,在原子核所具有的能量小于库仑位势垒的位势时,量子隧穿效应仍然能够让原子核穿越库仑位势垒,从而促成恒星环形区域的核聚变反应。    在地球上,复杂的多细胞生命的形成与演化过程中,都会需要有一个重要的先决条件,数十亿年的长期稳定阳光照射。在其它恒星系中受到主恒星照射的适居行星也会需要这样的先决条件。什么机制能够使得这些恒星可以保持如此长时间的稳定照射?在这些恒星的内部,最主要的核聚变反应是质子-质子反应。其量子隧穿的概率大约为10,这也是为什么恒星可以保持长时期地静燃烧氢元素的根本原因。隧穿概率并不是反应概率,还有其他几种影响到反应概率的重要因素,贝塔衰变的速率将会使得隧穿概率影响反应概率,并让其极度地与温度有关,更高的温度将会使得恒星内部的反应率变得很小,从而保持了这些恒星可以长时期地静燃烧氢元素,这将使得这些中小型恒星可以拥有长达几十亿年的寿命,从而让复杂的多细胞生命能够在宜居星球上诞生演化。量子隧穿效应是恒星核聚变所必须倚赖的机制。量子隧穿效应限制了恒星燃烧的速率,是恒星聚变循环的制约手段,并由此维持了这些中小型恒星长久的寿命。    在量子力学里,量子隧穿效应这一种使得电子等微观粒子可以穿过它们本来无法通过的“墙壁”的量子特性,是因为在量子力学中,微观粒子会呈现出波的特性,动态波动着的微小粒子拥有一定概率可能穿越势垒障壁。这一种穿越势垒障壁的运动,体现为一条由特殊机制形成的,穿透势垒层的隧道来实现的。这一条穿透势垒壁障的隧道具有一定的概率,能够使得呈现出波状的低能值微小粒子在某种共振的情况下加速穿透具有更高能级的势垒层,但是这种波状共振地穿透高能值壁垒层也仅仅只是一种概率,并不能确定其准确发生的量值和位置点。这就使得这一种量子隧穿效应无法被简单地运用到宏观世界的各种实践中来,更无法被应用到宇宙太空中的跨星际航行中来。    在更加广泛的宏观世界中,特别是在宇宙太空复杂多变的各大天体的运行中,也存在着某种由类似量子隧穿效应的大天体的各种复杂引力场相互作用下产生的高速隧穿通道,这一种使得各种高等智慧生物种族的太空飞行器可以被加速通过的高速隧穿通道。是一种由各大天体在各自的运行中,与银河系中心大质量黑洞所产生的巨大引力场,进行抗争所产生的复杂力场所制造出来的,类似量子隧穿效应的特殊构成所形成的高速星际隧道,这是一种类似于隧道二极管原理的工作模式的高速星际隧道。这一种高速星际隧道通常仅仅只能够跨越较短的星空距离(数十光年)。这是宇宙中各大天体在较近距离时,相互间力场相互作用下形成的。这一种被加速的小型快速隧道与黑洞所形成的超光速通道还是有着本质上的区别。由于这一种各种太空飞行器可以被加速通过的高速隧穿通道,是由宇宙太空中各大天体各自所具有的强大力场,在相互作用下产生的。因此无论在规模上以及能力级别上都远远无法与黑洞/白洞对所产生的高能超光速通道相媲美,以至于这种各种太空飞行器可以被加速地高速隧穿通道,对通过隧道的各种太空飞行器的强度也并无太高的要求。    这些由宇宙天体高速自转产生的离心力力场也会形成一种高峰值势能的势垒。绝大部分的势垒都会随着周围环境中其他势垒力场的影响,呈现出随时间变化而变化的特质。同时这样的复杂势垒力场大都呈现出球形或圆盘形状,分布在各大宇宙天体的周围。在圆盘形或球形势垒力场的表面,会形成某种非常显著的呈现出陡峭的势能崖壁状态。根据势能只和距离有关而和方向无关的原理,我们可以得知在通常的情况下,这一种呈现出球状分布的势能应该呈现出过渡性递减状态。而这一种十分陡峭的势能崖壁,大都是多种势能力场在同一空间相互作用的结果。在诸如银河系中心区域恒星密集区,这一种呈现出极其复杂且混乱的势能力场相互作用下形成的势能力场,大都是在多个高势能力场相互作用下形成的陡峭势能壁垒区域。    势能也叫位能,是物质系统中各物体之间(或物体各部分之间)存在相互作用而具有的能量。物体被举高或发生弹性形变就具有势能。如利用水的落差发电和发条做功的能量都是势能。势能是状态量,又称作位能。势能不是属于单独物体所具有的,而是相互作用的物体所共有。势能做功是指势能只和距离有关而和方向无关,即质点受场的力取决于质点在场中的位置。例如地球表面局部的引力场可以近似看做一个恒力场(称为为重力场),势阱,势垒和力场。若质点从场的一点移动到另一点的过程中,力场对质点做的功只与初末位置有关,而与质点移动的路径无关,那么这个力场就是一个保守场。大部分的力场的分布不随时间变化,所得势能显然也不随时间变化。这一种不随时间变化的稳定隧道的出现,就具备了长期稳定的利用价值。    特别是《藏映帝国》控制区的核心星域,也就是在北河二六联星系统附近,由六联星系统形成的强大力场构成了一座周边高中心低的类似环形山的高能值壁垒的区域。这是由于六颗巨大恒星为了对抗银河系中心黑洞巨大的引力场,共同产生的巨大的斥力所构成的。藏映族人控制区的核心区域的北河二六联星系统附近,构成了一座周边高中心低的环形山区域。这是由于六颗巨大恒星为了对抗银河系中心黑洞巨大的引力场,共同产生的巨大斥力所构成的高能值势垒所形成的。这些由各个宇宙天体高速自转产生的离心力力场也会形成一种高峰值的势垒。绝大部分的势垒都会随着周围环境中其他势垒力场的影响,呈现出随时间变化而变化的特质。同时这样的势垒力场是呈现出球形或圆形分布在各个宇宙天体的周围。在球形势垒力场的表面,会形成某一种十分陡峭的势能崖壁。根据势能只和距离有关而和方向无关的原理,可以得知这一种呈现出球状分布的势能区域应该呈现出过渡性递减状态。而这一种十分陡峭的势能崖壁大都是多个势能力场在同一空间相互作用的结果。在诸如银河系中心区域恒星密集区,这一种呈现出极其复杂且混乱的势能力场相互作用下形成的势能力场大都是由高势能形成的势垒区域。    而徐长春中将率领的《星际同盟太空舰队-黑狐特遣舰队》第三分舰队,在追击藏映族及其仆从部族联军《第二十三太空特遣舰队》所经过的正是这一条从《藏映帝国》核心区域穿越而过的特殊的高速隧道。由于这一条由《藏映帝国》核心区域外侧的高能值势垒中穿行的秘密隧道并未通过《藏映帝国》中的各大恒星系。仅仅只是在一种被包裹着的高能值外层的特殊隧道中穿行,所所以徐长春中将在自己的航程中们也并未发现自己已经穿越了《藏映帝国》首都星球所在的核心区域。
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