三百多年前,牛頓提出了偉大的萬有引力定律。萬有引力讓牛頓足夠偉大,讓我們知道了萬物之間都存在引力,引力的大小與物體的質量成正比。
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也有人對引力進行了更深層的思考:地球的質量如此之大,為何不會因為承受不了自身的引力而發生塌陷呢?
換句話說,地球為什么沒有在自身引力作用下一直向內坍縮,坍縮成乒乓球大小或者更小的物體呢?
這個問題看起來有些無厘頭,但確實是一個好問題,也確實引發了人們的一系列思考,而且這些思考一直延續到今天。
如今我們知道,地球之所以沒有在引力作用下向內塌陷,還是因為地球的質量不夠大,自身產生的引力并不能將地球最內部的原子壓扁。
如果一個天體的質量比地球大很多,會怎么樣呢?比如說我們的太陽,會不會在巨大引力作用下向內坍縮呢?
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答案是:會的。但這個答案顯然不是那么簡單。包括太陽在內的所有恒星的形成過程,其實都是星際云不斷向內塌陷的過程。在強大的引力作用下,星際云物質不斷被拉伸聚集到一起,不斷向內塌陷。
如果沒有其他力量與引力抗衡,星際云物質肯定會一直向內塌陷,也就不可能誕生恒星。
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但事實上星際云物質并不會無限向內塌陷,因為當塌陷到一定程度,核心就會在極度的高溫高壓下發生至關重要的宇宙大事件:核聚變。而核聚變發生后,就會產生巨大的外推力,這種力量足以與強大的引力抗衡,阻止恒星物質繼續向內坍縮。
這也是太陽等恒星能保持上百億年穩定的原因所在,當核聚變產生的外推力與萬有引力保持平衡,太陽當然能穩定的持續燃燒。
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拿我們的太陽來講,地球的質量已經高達60萬億億噸了,太陽的質量達到地球質量的33萬倍,如此大的質量產生巨大的引力,讓太陽最核心氫原子承受巨大的壓力,也就引發了核聚變。
太陽最核心溫度達到1500萬度,每秒消耗大約400萬噸的氫,轉化為光和熱。核聚變產生的能量也阻止了太陽在自身引力的進一步坍縮。
不過,隨著氫燃料的一點點減少,核聚變與太陽引力之間的微妙關系會逐漸被打破,到了太陽生命晚期,核聚變力量顯著較少,引力逐漸占據上風,于是太陽自身穩定的平衡開始被打破,引力開始發了瘋似的拉拽著恒星物質向內坍縮,開始了新一輪的爆炸和平衡,讓太陽核心溫度持續升高,可以達到上億度。
質量不斷變小的太陽,顯然已經沒有那么大掌控力了,把持不住穩定的局面了,劇烈的爆炸把太陽外層物質不斷向外推,此時的太陽已經不能叫恒星了,而是演變為巨大的紅巨星。
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太陽演化為紅巨星后,體積膨脹得非常厲害,是如今太陽體積的大約1000倍,甚至能把水星和金星吞噬掉。
最終太陽這顆紅巨星只會留下一個致密的內核,也就是白矮星,大約只有地球大小,外層物質都被拋灑到浩瀚星際空間,留下絢爛的光彩。
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太陽演化為紅巨星,再到白矮星的過程并不是一蹴而就的,而是一個相當漫長的過程,甚至需要上億年的時間。
白矮星仍舊會發出微弱的光芒,但遠不能照亮太陽系。白矮星主要由碳,氧和氖元素組成。由于太陽的質量還不夠大,并不能生成鐵元素。
而鐵元素對于恒星來講是一種非常“致命”的元素,因為一旦恒星聚變到鐵元素,就宣告了恒星的死亡,為什么會這樣?
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簡單講,因為鐵是最穩定的元素,鐵之前的元素發生聚變時都會釋放能量,但鐵以及鐵之后的元素聚變時需要吸收能量,或者說消耗的能量比產生的能量更多。
因此,要想依賴鐵元素的核聚變反應維持恒星壽命,顯然是不現實的。
當恒星聚變到鐵元素之后,宣告恒星的死亡。恒星死亡之后,自身引力會徹底占據上風,沒有了核聚變與引力對抗,引力會把恒星物質急劇向內拉拽。
在自身重力作用下,恒星核心產生了足夠大的壓力和溫度,足以讓鐵元素繼續發生聚變。如果恒星的質量足夠大,就能夠對抗強大的電子簡并壓,把電子擠壓到原子核上,與質子結合形成中子,這就是中子星的由來。
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何為電子簡并壓?首先要了解泡利不相容原理,講的是兩個費米子(也就是基本粒子)不能位于相同的量子態,當外部力量強迫費米子這樣做時,費米子就會產生強大的斥力,比如說電子之間,就會產生強大的電子簡并壓。
打個比方,你就是喜歡一個人獨處,當別人試圖進入你的房間時,你就會用盡全力推開他,你的推力就相當于電子簡并壓。
電子簡并壓是很強大的,不過只要恒星質量夠大,也足以超越電子簡并壓,把電子壓縮到原子核上。
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科學計算表明,電子簡并壓最多能支撐的質量大約為太陽質量的1.4倍,也就是所謂的“錢德拉塞卡極限”。注意這里的質量并不是恒星本身的質量,而是恒星演化為白矮星的質量。
當白矮星的質量超過錢德拉塞卡極限,白矮星就會繼續向內坍縮,最終形成中子星。
那么,如果中子星質量足夠大,大到超過了中子簡并壓,一種比電子簡并壓更強大的力量,會怎么樣呢?
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研究表明,中子星也存在壓力的上限,叫作“奧本海默極限”,大約相當于太陽質量的3倍,當奧本海默極限被打破時,中子簡并壓也無法阻止中子星繼續向內坍縮,坍縮到極限,一直到無窮小的奇點,形成恐怖的黑洞。
人類研究的對象都是有限的,具體的,因此,任何涉及無限的物理量都很難被理解,因為無窮是抽象的概念。比如說奇點,我們很難想象一個體積無窮小的奇點是如何存在的。
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現實的情況就是這樣,人類已知的所有大自然法則在奇點面前都失效了。我們只能通過黑洞奇點與周圍物質的相互作用,推測黑洞可能擁有的特性。
有科學家大膽提出這樣的猜測,黑洞根本不屬于我們的世界,因為黑洞奇點完全超出了四維時空的范疇,完全不屬于四維時空,很可能屬于高維度時空,或者說是“超空間”。
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這也是弦理論提出的高維度思想,認為我們的世界擁有多達11個維度,除了我們所在的四維時空,還有7個維度,它們卷曲在極小的普朗克尺度里。
世界的本質或許就是這樣,極大的事物往往與極小的事物緊密地連接在一起。
我們經常會問:宇宙到底有多大?或許,當我們真的來到宇宙邊界時,會猛然發現,原來宇宙的邊界就藏在無窮小的普朗克尺度里!
這也是為什么很多科學家堅信,黑洞奇點一定隱藏著宇宙的本來面目,宇宙的真相!
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