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高密度天体质量越大,体积越小,这里面蕴含着什么规律?

如果我们研究宇宙天体,会发现质量越大的体积越小,这是为什么呢?

都是万有引力惹的祸

其实其中的道理并不复杂,说穿了很简单,就是万有引力在里面起作用。因为质量越大的天体,引力越大,形成的重力向心压力就越大,物质就会被压缩得更紧密,这样体积相对质量就会更小了。

尤其是白矮星、中子星、黑洞等高致密天体,表现得更为显著。其实从白矮星开始,组成这些高密度天体的物质就不是我们通常认识的元素了,而是物质的第六态,也就是除了气态、液态、固态、等离子态、波色-爱因斯坦凝聚态等五态,增加的物质形态~简并态物质。

简并态物质又有电子简并态和中子简并态两种,可能还有夸克简并态,但迄今没有发现。

何谓简并压呢?

这就得了解一下量子力学泡利不相容原理了。这个原理是美籍奥地利物理学家沃尔夫冈・泡利发现并创立的,是微观粒子运动基本规律之一。这个理论的内核是,在费米子系统中,不能有两个或以上的粒子处于完全相同状态,通俗的理解就是不能无隙缝地挤在一起。

我们世界有两种性质的粒子,一种是玻色子,指自旋量子数为整数的粒子,如光子、胶子、介子等;另一种就是费米子,是指自旋量子数为半奇数的粒子,包括电子、质子、中子、夸克等。玻色子粒子没有泡利不相容现象,只有费米子粒子遵循泡利不相容原理。

费米子粒子对自己同伴具有排他性,它们不能占据空间站同一个位置,靠拢了就会像小孩子玩游戏相互推搡,排斥别人与自己靠近,靠得越紧,排斥力就越大,这种推搡排斥的力就叫简并压。

简并压不是已知四种基本力中的任何一种,四种基本力的作用机制都是依靠相互交换媒介,简并压只发生在全同粒子之间,不涉及任何力,本质上是一种波函数的干涉效应,有点像分子热运动,温度升高体积就膨大。

简并压越到原子内部深层次,粒子间隙就越小,表现出来的排斥力就越大,但因此密度就会越来越大。

白矮星是电子简并态物质

这种物质就是依靠电子简并压抵御重力向心压,维持一个平衡,让白矮星保持星体形状。电子简并压是遵循泡利不相容原理中,分子轨道中一个原子轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子。轨道能级越低,电子距离原子核就越近,简并压就越大。

当万有引力将电子与原子核之间的距离压缩到很近时,低能级轨道就挤满了电子,相互靠近的电子就会产生强大排斥力,阻止物质体积进一步缩小。

电子简并态物质,是一种虽然原子外壳被挤破,电子已经被压缩到极低轨道,但依然没有触动原子核。这些原子核漂移在电子海洋中,还保持着原子特性。因此白矮星的体积就还有地球这么大,质量却和一颗太阳差不多,密度达到1~10吨/m^3。

当值简并压的支撑力度只能抵抗1个太阳质量左右的重力压力,到达太阳质量1.44倍时就会被压垮了。

中子星由中子简并态物质组成

白矮星通过吸积,质量进一步加大,重力向心压力就会增大,电子之间与原子核的空间就会进一步被压缩,天体体积就会进一步缩小。

当白矮星质量到达太阳的1.44倍,就到了压垮电子简并压的临界点,科学术语叫“钱德拉塞卡极限”。在这种重力压力下,电子简并压就无法支撑强大的重力压力了,整个原子就完全被压碎压垮了,原子核与电子之间就再也没有空隙了。

带负电荷的电子被压缩进了原子核里面,与带正电荷的质子中和变成了中子,整个原子核就都变成了中子,而且整个星球都成为一个大中子核组成的星球,这样这个星球就成为了中子星。

中子星由中子简并态物质组成,整个星球(物质)完全依靠中子与中子之间的排斥力支撑着,这个支撑间隙就极小了,星球密度达到原子核密度甚至更高,达到1~20亿吨/cm^3,这样中子星的半径就只有10km左右了。

简并压层次越深入质量越大,体积越小

从白矮星和中子星的质量和体积,我们可以看出电子简并压支撑的物质空间比中子简并压支撑的空间要大多了,但支撑力量就比中子简并压小多了。理论上夸克简并压比中子简并压的支撑力量更大,物质密度也将更大。但迄今为止科学家们还没有发现夸克星的存在。

当引力压力再大,也就是中子星达到约3个太阳质量左右时,又到了一个临界点,科学术语叫做“奥本海默极限”。

到达这个极限,中子简并压或者说夸克简并压也支撑不住引力压了,物质将进一步坍缩,这次就会将中子乃至夸克都全部压碎,物质再也不以我们能够认识的粒子形态存在了,而天体体积会坍缩成无限小的一个奇点,这就是黑洞。

黑洞实体是奇点,具有无限小体积

理论上,黑洞就是由中心一个无限小的奇点,以及围绕着奇点形成的球状史瓦西半径(事件视界)组成的。现代科学无法解释奇点是什么,主流科学家们认为那里是时空的终结点,是超时空的东西,也就是说不是我们世界能够理解的事物了。

我们对黑洞的观测,只能从其质量形成的史瓦西半径来了解。史瓦西半径就是任何有质量物体都存在的一个临界半径,在极其强大的压力下,物质全部质量就会坍缩进这样一个半径里面,从而形成一个奇异空间,核心是一个可视为无体积的奇点,周围与质量成正比形成一个球状空间,这个球状空间的半径就叫史瓦西半径。

史瓦西半径计算公式为:R=2MG/C^2。根据公式计算,我们可得出太阳的史瓦西半径约2952米,地球史瓦西半径约9毫米。所有的黑洞史瓦西半径与其质量成正比,并呈现线性关系。

宇宙中发现最小的黑洞在3倍太阳质量以上,其史瓦西半径约为8856米;已知最大黑洞编号为SDSS J073739.96+384413.2,质量为太阳的1040亿倍,其史瓦西半径约为3070亿公里。

史瓦西半径是质量形成的绝对曲率(引力)控制范围,任何物质进入这个区域,都将有去无回,连光速也无法逃逸。这就是致密天体质量越大体积越小的原因。

导致这种现象的内因就是引力,质量越大引力向心收缩力就越大,当引力达到极端时,物质就会化为乌有。

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