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【科普】解讀神奇的奇點,從太陽一直到詭異的黑洞,探索世界的本質!
2023/01/28

17世界,牛頓提出了偉大的萬有引力理論,讓我們知道了萬物之間都有引力。同時也有人開始思考這種問題:在引力的作用下,我們的地球會不會發生坍縮呢?也就是說,如果地球自身的重力過大,會不會被壓縮呢?比如說被壓縮到籃球的大小?

對于這種問題,普通人肯定會覺得不可理喻,甚至很滑稽。但對于善于思考的科學家來講,他們并不這樣認為,而是進行了更深入的思考,正是因為這些思考,人類科學才一步步走到今天。

如今我們都知道,地球并不會因為自身的重力發生坍縮,那是因為地球質量達不到坍縮的程度,地球自身的重力根本不足以把微觀世界的分子和原子壓縮。

但是,比地球更重的天體呢?比如說我們的太陽,又是什麼樣的情況呢?

我們都知道,太陽之所以發光發熱,是因為太陽核心一直在發生著核聚變,而核聚變發生的重要條件是高溫高壓。

太陽的質量達到地球質量的33萬倍,巨大的質量產生了超強引力,在引力的作用下,太陽核心的氫原子被死死地擠壓在一起,從而發生核聚變,產生光和熱。

而核聚變會讓太陽核心發生超強爆炸,產生巨大的外推力,這種力量與太陽自身向內的引力保持平衡,所以太陽能夠維持長時間的穩定。

太陽的核心溫度高達1500萬度,每秒消耗掉400萬噸的氫轉化為能量釋放出來。400萬噸看起來很大,但太陽質量實在太大了,大約2乘以10的30次方千克,400萬噸的質量簡直就是九牛一毛。

不過雖然太陽質量雖然很大,但隨著時間的流逝,質量也會一點點減少。通過計算,科學家們告訴我們,在大約50億年之后,太陽的氫將會耗盡,核聚變停止,屆時太陽內部的平衡徹底被打破。

沒有了核聚變產生的外推力,太陽自身重力占據絕對統治地位,于是太陽就會向內坍縮。

但坍縮的過程并不是無限的,在向內坍縮的過程中,太陽核心溫度會迅速升高,一直達到氦發生聚變的條件,然后達到新的平衡,此時太陽核心溫度達到一億度。

不過核聚變只發生了太陽核心,太陽外層的物質會因為更強大的爆炸逐漸膨脹,此時的太陽徹底演化為紅巨星。

太陽成為紅巨星之后,體積會膨脹上萬倍,甚至膨脹到水星的軌道,把水星完全吞噬。漫長的時間過后,紅巨星的外層物質被拋灑到浩瀚星際空間,只留下致密的內核,也就是白矮星,只有地球大小的白矮星。

白矮星的主要成分是碳氧等元素,它仍舊會發出微弱的白光,比原來的亮度弱了很多。

其實在向白矮星演化的過程中,太陽內部沒有停止過核聚變,然后一直到鐵元素,戛然而止。因為鐵元素是一種非常「致命」的元素,它非常穩定。

其他元素發生核聚變都會釋放出能量,但鐵元素不同,鐵元素發生核聚變吸收的能量比釋放的能量更多,所以一旦核聚變到鐵元素,就宣告恒星的徹底死亡,因為恒星核聚變到鐵元素就到了盡頭。

但是有一個問題,既然沒有了核聚變,那麼恒星內部物質是如何對抗恒星自身強大的重力呢?

主要是依靠電子簡并壓。根據泡利不相容原理,兩個相同的微觀粒子不同擁有相同的量子態,可以通俗地這樣理解,微觀粒子比如說電子不能位于同一個軌道上。

而恒星自身強大的重力迫使電子不得不位于同一個軌道上,如此一來電子就會產生巨大的斥力,就是電子簡并壓。 就像一個房間里只能住一個人,如果有外在的力量迫使其他人進來,房間里的人就會用盡全力把那個人推出去。

不過,電子簡并壓也是有上限的,不能無限制抵抗恒星的自身的重力。當恒星質量達到太陽質量1.4倍以上時,也就是所謂的錢德拉塞卡極限,電子簡并壓也抵抗不了恒星的重力,這樣恒星就會繼續向內坍縮,形成比白矮星更致密的天體,比如說中子星。

不過太陽演化為白矮星之后,質量會大大減少,遠遠達到不錢德拉塞卡極限的標準。所以白矮星就是太陽的宿命。

不過太陽的最終宿命是比白矮星更恐怖的黑矮星,在極其漫長的時間之后,白矮星的光和熱全部輻射完畢,成為一顆黑矮星。不過這個過程極其漫長,需要上千億的時間,而宇宙的年齡不過138億年,所有如今的宇宙中沒有任何黑矮星存在。

剛才說了,恒星的質量超過錢德拉塞卡極限之后,會坍縮為中子星,具體就是電子被迫向內擠壓到原子核上,與質子結合形成中子。

中子星的密度極高,每立方厘米就能達到上億噸。這是什麼概念?一個乒乓球大小的中子星質量就能輕松超過地球質量!

中子星的中子之間也存在中子簡并壓,但這個力量也是有上限的,這個上限就是奧本海默極限,當質量達到3倍太陽質量時,中子星自身的重力就會突破中子簡并壓,繼續向內坍縮,最終形成宇宙中最詭異的天體,黑洞!

超強的引力會把所有的中子壓縮到一個體積無限小的點,也就是奇點,這個奇點不但沒有體積,溫度密度更是無限大,一個完全顛覆我們傳統認知的存在方式。

如今我們已知的所有物理定律在黑洞面前全部失效,我們需要更高級的大自然法則才能詮釋黑洞。

到這里,你或許能感受到宇宙的神奇了,從龐大的恒星,到無限小的黑洞奇點,最大與最小竟然神奇地連接在了一起,有點物極必反的味道。

這也給了人類另外一種思維方式,當我們總是渴望在浩瀚的宇宙里尋找世界的本質時,或許世界的本質就藏在最小的事物里,比如說黑洞的奇點。

這也是為什麼很多科學家堅信世界的本質就藏在黑洞里,藏在那個無限小的奇點里!

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