中子星物質(zhì)憑什么1小勺就有幾十億噸，它真的存在嗎？

很多朋友都對(duì)這個(gè)問題有所疑惑，認(rèn)為是科學(xué)家們忽悠人。憑著生活常識(shí)來理解，認(rèn)為這個(gè)世界怎么可能有這么重的物質(zhì)呢？只是存在于想象中罷了。

但事實(shí)是，中子星已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆了，它們?cè)谶@個(gè)宇宙是確確實(shí)實(shí)地存在著。當(dāng)然由于中子星太小，直徑只有二三十千米，還沒有一個(gè)中小城市大。冥王星直徑2376千米，在現(xiàn)代最厲害的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡里，看到的也只是幾個(gè)模模糊糊的像素，冥王星距離我們只有60億千米，也就是約0.0006光年，而距離我們最近的中子星都有幾百光年，當(dāng)然就看不到啦。

那么，人們又是怎樣發(fā)現(xiàn)并證實(shí)中子星的存在呢？事實(shí)上，科學(xué)家們比我們想象要厲害多了，這些特殊天體在沒有發(fā)現(xiàn)前，早就被理論預(yù)言存在了。預(yù)言依據(jù)的理論就是愛因斯坦創(chuàng)立的相對(duì)論。廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)論，認(rèn)為在極端的引力壓下，某些天體會(huì)被壓縮特殊極端致密的天體，后來人們把這些特殊的天體叫做白矮星、中子星、黑洞。

科學(xué)家們計(jì)算出了白矮星、中子星、黑洞的形成條件。

太陽質(zhì)量8倍以下的恒星，在演化晚期會(huì)膨脹為紅巨星，分成外殼和內(nèi)核兩個(gè)部分，外殼會(huì)漸漸消散在太空，而內(nèi)核會(huì)壓縮成一個(gè)致密的白矮星。這個(gè)白矮星的質(zhì)量約在太陽的0.6~1.44倍之間，超過這個(gè)質(zhì)量就維持不了現(xiàn)狀，就會(huì)進(jìn)一步坍縮。

因此1.44倍太陽質(zhì)量是白矮星的一個(gè)極限，這個(gè)理論是印度裔美籍物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡創(chuàng)立的，因此這個(gè)極限就叫錢德拉塞卡極限。由于白矮星、中子星、黑洞都是極端引力場(chǎng)天體，因此一旦形成，會(huì)對(duì)靠近自己的天體物質(zhì)或者恒星形成拉扯吸附作用，它們的質(zhì)量就會(huì)不斷增大。當(dāng)白矮星質(zhì)量到達(dá)1.44倍太陽質(zhì)量界限時(shí)，其電子簡(jiǎn)并壓就支撐不住自身引力壓力了，就會(huì)發(fā)生爆炸，然后形成一顆質(zhì)量大于太陽1.44倍的中子星。

因此中子星的質(zhì)量下限是太陽的1.44倍，上限現(xiàn)在沒有一個(gè)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，要根據(jù)中子星的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，大約在太陽質(zhì)量2.16~3.2倍之間。這個(gè)上限叫做奧本海默極限，這個(gè)理論是猶太裔美籍物理學(xué)家尤利烏斯·羅伯特·奧本海默創(chuàng)立的。

中子星超過奧本海默極限，就會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞。一般認(rèn)為，超過太陽質(zhì)量8倍以上的恒星，死亡時(shí)會(huì)發(fā)生超新星大爆炸，核心會(huì)留下一個(gè)質(zhì)量在1.44倍太陽質(zhì)量以下的中子星，而30倍以上太陽質(zhì)量的恒星，大爆炸以后一般核心留下的質(zhì)量會(huì)超過奧本海默極限，因此會(huì)直接坍縮成一個(gè)黑洞。

是什么力量促成了這些特殊天體形成呢？

這就得說到泡利不相容原理了。這個(gè)理論是瑞士籍奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇麆?chuàng)立的，是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律之一。這個(gè)理論認(rèn)為，在費(fèi)米子系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同狀態(tài)，簡(jiǎn)單地說，就是相同的粒子不能擠在一起，它們之間有一種相互排斥力，這種力就叫簡(jiǎn)并壓。

粒子物理學(xué)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們世界存在幾百種粒子，這些粒子分為兩大類，一類是費(fèi)米子，一類是玻色子。電子、中子、質(zhì)子、夸克等能形成物質(zhì)實(shí)體的粒子都是費(fèi)米子，因此每一種費(fèi)米子之間都存在著簡(jiǎn)并壓，而且一級(jí)比一級(jí)更厲害。

在我們平常生活中，看到的所有物質(zhì)都是由原子和分子組成，這些東西看起來有的柔軟虛空，有的堅(jiān)硬致密，但不管多么堅(jiān)硬致密的物質(zhì)，在高倍電子顯微鏡下，都是虛空的，空間大于實(shí)體，這是因?yàn)樵雍头肿娱g有斥力，這種力的本質(zhì)是電磁作用力。

只要是依靠電磁作用力支撐引力壓力的物質(zhì)，就是我們通常認(rèn)知由原子分子組成的物質(zhì)，而依靠簡(jiǎn)并壓支撐引力壓力的物質(zhì)已經(jīng)不是正常物質(zhì)了。

巨大的壓力才能夠與簡(jiǎn)并壓抗衡。

在一定壓強(qiáng)下，這些物質(zhì)就會(huì)被壓縮。在地球上，要取得巨大壓強(qiáng)是很難的，地心壓力是地球上自然壓力最高處，達(dá)到海平面大氣壓的360萬倍，但這種壓力只能把物質(zhì)壓到很密實(shí)狀態(tài)，物質(zhì)依然是原子和分子組成的。如在實(shí)驗(yàn)室制造的瞬間數(shù)百萬高壓下，可以把氫轉(zhuǎn)化為金屬氫，但依然還是氫分子組成，支撐著這種壓力的依然是電磁作用力，不屬于簡(jiǎn)并壓。

只有當(dāng)壓力極大時(shí)，分子被壓垮，原子也被壓垮，這個(gè)時(shí)候才是依靠簡(jiǎn)并壓與外在的引力壓力抗衡。白矮星就是如此。當(dāng)太陽類演化后期，巨大的質(zhì)量向外膨脹時(shí)，核心巨大壓力會(huì)把核聚變完成后剩下的一個(gè)碳球壓縮到極其致密狀態(tài)，這個(gè)碳球只有地球大小，卻有太陽質(zhì)量的0.6倍左右，這時(shí)的引力壓力達(dá)到了地球海平面的10億倍，物質(zhì)再也無法保持原子分子組成形態(tài)了。

原子被壓垮了，但原子核還保持完好，只是外圍電子被壓得游離了原來的能級(jí)和軌道，成為自由電子，相互靠近，這個(gè)時(shí)候電子簡(jiǎn)并壓就起作用了，電子與電子之間的斥力，讓同類不相互靠近，這就是電子簡(jiǎn)并壓，依靠這種壓力維持著物質(zhì)一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這時(shí)的原子核蕩漾在這些自由電子的海洋中，依然愜意地保持著完整。

白矮星上的物質(zhì)已經(jīng)不屬于我們認(rèn)知118種元素組成的任何物質(zhì)，原子與原子間再也沒有了空隙，原子本身電子與原子核的空間也被壓縮了，這種物質(zhì)叫做電子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)，其密度達(dá)到10噸左右/cm^3。

中子簡(jiǎn)并壓支撐著中子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)。

當(dāng)白矮星吸積壯大自己，讓自身質(zhì)量達(dá)到太陽的1.44倍時(shí)，這時(shí)天體內(nèi)部壓力達(dá)到了10^28個(gè)大氣壓，也就是相當(dāng)?shù)厍蚝Ｆ矫娲髿鈮旱?萬億億億倍，這時(shí)電子簡(jiǎn)并壓就再也支撐不住巨大的引力壓了，電子被完全壓進(jìn)了原子核，與帶正電的質(zhì)子中和成為中性的中子，與原來的中子混合在一起，整個(gè)星球就成為一個(gè)由中子擠在一起的巨大中子核。

我們知道原子核的密度為10^14g/cm^3，也就是1億噸/cm^3，而中子星的密度有時(shí)候達(dá)到10億噸/cm^3，就是說比原子核密度還大。這說明中子星物質(zhì)比原子核還要致密，中子之間的空間比原子核質(zhì)子和中子之間的空間還小。但中子星就是依靠中子與中子的相互排斥力，勉強(qiáng)維持著有形的物質(zhì)狀態(tài)，這種物質(zhì)就叫中子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)，不屬于我們認(rèn)知地球上的任何元素物質(zhì)形態(tài)。

理論上，還存在一種比中子簡(jiǎn)并壓更大的簡(jiǎn)并壓，這就是夸克簡(jiǎn)并壓。如果宇宙中存在夸克星，其上面的物質(zhì)密度比中子星密度還要大上億倍。但迄今為止，沒有發(fā)現(xiàn)夸克星的存在。一般認(rèn)為，中子星質(zhì)量大于奧貝海默極限，就會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，所有物質(zhì)都被壓縮到中心那個(gè)無限小的奇點(diǎn)上，因此那里的密度無限大，溫度無限高，并與質(zhì)量成正比在奇點(diǎn)周圍形成一個(gè)史瓦西半徑為界限的球狀無限曲率空間，在這個(gè)空間，一切物質(zhì)都無法逃逸，包括光。

現(xiàn)在我們知道了這些極端天體形成的過程和它們的密度，就應(yīng)該明白中子星為何一小勺物質(zhì)就有幾十億噸重了吧？其實(shí)簡(jiǎn)單理解就是一個(gè)比太陽質(zhì)量還大，半徑有幾十萬千米，縮小到只有10來千米，就可以想象這種天體物質(zhì)的密度了。其實(shí)我們把地球物質(zhì)送到那里，也有那么重，如果把全球七十億人口全部送到中子星上面，在那里強(qiáng)大重力壓縮下，只有不到一個(gè)立方厘米。

一個(gè)立方厘米有多大？就是小拇指尖尖這么大。

中子星這么小，又是如何發(fā)現(xiàn)的呢？

中子星半徑只有十來千米，如果人們?cè)谶@種星球上騎自行車，不要一天就能轉(zhuǎn)一圈。而且現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的中子星距離我們最近都有數(shù)百上千光年，而人類的觀測(cè)能力，比木星還大距離太陽系最近的行星都看不見，怎么能夠發(fā)現(xiàn)這么遠(yuǎn)的小球呢？

原來中子星有幾大特點(diǎn)，除了本身強(qiáng)大的引力壓力，其表面溫度可達(dá)1000億~10000億K，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到20萬億Gs（地球磁場(chǎng)為0.7Gs），能量輻射達(dá)到太陽的100萬倍，會(huì)發(fā)出強(qiáng)大的射電源。

中子星還會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，一般都有每秒幾百圈，最快的中子星可達(dá)2000~3000圈。由于中子星的自轉(zhuǎn)軸與磁極不重合，這樣其強(qiáng)大能量射線就從磁極以某個(gè)角度向太空發(fā)射，隨著星體旋轉(zhuǎn)，就像燈塔一樣掃過宇宙天際，但掃到地球時(shí)，就會(huì)被射電望遠(yuǎn)鏡捕捉到。

1932年，當(dāng)中子被發(fā)現(xiàn)后不久，前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道就預(yù)言了宇宙中可能有中子星存在，但一直未能證實(shí)。1967年，天文學(xué)家們收到宇宙中傳來的一種奇怪電波，這種電波就像人的脈搏跳動(dòng)，很有規(guī)律，由此引起世界轟動(dòng)，以為收到了外星人發(fā)來的信號(hào)，因?yàn)檫@實(shí)在太像人為控制的信號(hào)了。

后來，英國天文學(xué)家休伊什弄清了這種奇怪電波是由某種特殊天體發(fā)出，人們把這種天體命名為脈沖星，而脈沖星就是中子星旋轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖，掃過地球被人們所發(fā)現(xiàn)的中子星。由此，休伊什獲得了1974年諾貝爾獎(jiǎng)。

中子星不但真實(shí)存在，而且已經(jīng)在為人類服務(wù)。

正是由于中子星強(qiáng)大能量輻射和自轉(zhuǎn)射電脈沖，被人們不斷發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家們估計(jì)在銀河系至少有20萬顆中子星，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾千顆。我國建成的貴州天眼，是目前世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，2016年建成開始試運(yùn)行，短短幾年，就已經(jīng)新發(fā)現(xiàn)了240多顆脈沖星（截止到2020年11月）。

現(xiàn)在，人類還無法看到真實(shí)的中子星，更無法接近這種極端天體，但中子星的發(fā)現(xiàn)對(duì)人類認(rèn)識(shí)和觀測(cè)宇宙起著重要作用，特別是脈沖星穩(wěn)定精準(zhǔn)有規(guī)律的脈沖信號(hào)，就像茫茫宇宙中的燈塔，成為人類星際遠(yuǎn)航的導(dǎo)航定位準(zhǔn)星。

結(jié)論：中子星真實(shí)存在于宇宙中，上面的物質(zhì)不是我們認(rèn)知的普通物質(zhì)，而是中子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)，密度超過原子核密度，達(dá)到1~10億噸/cm^3。

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