為啥會(huì)有中子星，它有多可怕，指甲蓋大一塊按地球密度有多大？

常有人對(duì)中子星物質(zhì)密度沒(méi)有一個(gè)直觀了解，因此抱著質(zhì)疑的態(tài)度。今天我們就來(lái)通過(guò)剖析一下一塊指甲蓋大的中子星物質(zhì)，按地球物質(zhì)密度看看有多大，并根據(jù)這條線索，讓各位對(duì)中子星的來(lái)歷有一個(gè)較為清晰的了解。

所謂指甲蓋大，就定義為1立方厘米。

我們通過(guò)密度換算就知道了，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)題。中子星密度為1~20億噸/cm^3，地球密度為5.5g/cm^3，中子星密度約地球密度的18.2萬(wàn)億~364萬(wàn)億倍，我們折中一下，中子星按中間密度10億噸/cm^3，這樣1立方厘米中子星就有182萬(wàn)億立方厘米的體積，換算成立方米就是1.82億立方米。

根據(jù)球體積公式V=(4/3)πr^3，可計(jì)算出1立方厘米的中子星物質(zhì)變成地球物質(zhì)，相當(dāng)一個(gè)半徑351米的球體。這個(gè)結(jié)果可能超乎一些人想象吧？中子星說(shuō)得那么玄乎，也不過(guò)如此。其實(shí)這已經(jīng)很玄乎了，一個(gè)指甲蓋那么大的中子星物質(zhì)，變成地球物質(zhì)就成了塞滿鳥(niǎo)巢空間一個(gè)巨大的球。

指甲蓋大的黑洞，會(huì)有多大質(zhì)量呢？1cm^3體積的球形半徑就是約0.62cm，這就是黑洞的史瓦西半徑，史瓦西半徑的計(jì)算公式為：R=2GM/C^2，這里R為史瓦西半徑值，G引力常量，M為天體質(zhì)量，C為光速。根據(jù)公式計(jì)算，這么大的黑洞質(zhì)量約有41萬(wàn)億億噸，約地球質(zhì)量的68.3%。

那么60萬(wàn)億噸的地球如果變成中子星，地球體積將縮小182萬(wàn)億倍，就成了一個(gè)半徑約112.4米的球。也就是說(shuō)這個(gè)球遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有1立方厘米中子星物質(zhì)變成地球物質(zhì)體積大。想一想我們開(kāi)著時(shí)速100km的汽車(chē)，沒(méi)日沒(méi)夜一刻不停的開(kāi)，都要開(kāi)16天多，才能夠轉(zhuǎn)一圈，而地球變成中子星后，只要散著步也只要幾分鐘就轉(zhuǎn)了一圈，開(kāi)心吧？

不過(guò)這種開(kāi)心永遠(yuǎn)也不會(huì)降臨。這是因?yàn)橹凶有堑馁|(zhì)量介于太陽(yáng)的1.44~3倍之間，太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍是錢(qián)德拉塞卡極限，沒(méi)到達(dá)這個(gè)臨界點(diǎn)，就只能成為一個(gè)白矮星，成為不了中子星；而太陽(yáng)的3倍左右是奧本海默極限，到了這個(gè)極限，中子簡(jiǎn)并壓就再也支撐不了重力壓力，必然坍縮成一個(gè)黑洞。

因此中子星的半徑一般在10km左右，像地球這種質(zhì)量，包括太陽(yáng)這種質(zhì)量的天體，是變不成中子星的。太陽(yáng)最終的歸宿是一個(gè)白矮星。一般認(rèn)為要太陽(yáng)8倍以上，30倍以下的恒星在演化晚期，發(fā)生超新星大爆發(fā)后，拋棄了絕大多數(shù)的物質(zhì)，剩余的核心致密物質(zhì)才會(huì)形成一個(gè)中子星。而40倍太陽(yáng)質(zhì)量以上的恒星，超新星大爆發(fā)后核心殘留物質(zhì)會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞。

所以在中子星上轉(zhuǎn)一圈至少有六七十公里，急匆匆的走也要走八九個(gè)小時(shí)吧。而且已知的任何物質(zhì)都無(wú)法在中子星上落腳，更別說(shuō)人了，靠近都不行。如果一個(gè)成年人被中子星引力捕獲，拉拽著掉到其表面，掉落速度可達(dá)光速一半，即每秒15萬(wàn)千米，撞擊的威力相當(dāng)15000多顆廣島原子彈同時(shí)爆炸。

不過(guò)別擔(dān)心，中子星會(huì)毫發(fā)無(wú)損，連1毫米波瀾都掀不起來(lái)。因?yàn)橹凶有巧现亓π纬傻膲簭?qiáng)達(dá)到10^28個(gè)地球大氣壓，也就是1萬(wàn)億億億個(gè)大氣壓強(qiáng)，相當(dāng)?shù)厍蛑行膲簭?qiáng)的30萬(wàn)億億倍。中子星的極端還有：磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到地球的數(shù)十萬(wàn)億倍；逃逸速度達(dá)到一半光速；表面溫度數(shù)百萬(wàn)度到上億度，中心溫度可達(dá)萬(wàn)億度。

這樣的地方，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，人類(lèi)是也無(wú)法靠近的。不過(guò)劉慈欣的小說(shuō)《三體》中，描述的三體人水滴探測(cè)器，就是由中子星類(lèi)物質(zhì)制造的，所以人類(lèi)窮盡一切辦法不但無(wú)法窺探其中的秘密，就是在表面放大一億倍也無(wú)法找不到一點(diǎn)疤痕。當(dāng)然這只是小說(shuō)夸張的想象，中子星物質(zhì)是沒(méi)有辦法在一般環(huán)境存在的。

致密的天體是如何形成的？密度不同的天體，是由于天體重力不一樣導(dǎo)致的。因?yàn)樵诔瑥?qiáng)大壓力下，物質(zhì)會(huì)被壓垮，這種垮不是我們生活中看到或理解的那種垮，而是原子粒子之垮。我們之所以能夠看到各種各樣形態(tài)的物質(zhì)，能夠保持某種形態(tài)不變，是因?yàn)槲镔|(zhì)內(nèi)部有一種壓力，或者叫斥力，在支撐著外部壓力。

比如人體，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化適應(yīng)了地球1個(gè)大氣壓的壓力，形成了人體內(nèi)部壓力與外部壓力的平衡，這樣人就能夠在地表每平方厘米1公斤的壓力下活動(dòng)自如；而如果加大壓力或者減少壓力，人類(lèi)就承受不了，因此在深潛時(shí)或太空探索，人類(lèi)就要穿上抗壓服，來(lái)幫助身體抵御外面壓力的變化。

在物質(zhì)內(nèi)部更深層次，每一個(gè)層次都會(huì)自動(dòng)抵御某種壓力，這種抵御壓力的原理是量子力學(xué)的奠基人之一，美國(guó)物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇l(fā)現(xiàn)的，因此人們把它定名為“泡利不相容原理”。這個(gè)原理認(rèn)為，微觀層面費(fèi)米子（電子、中子、質(zhì)子等一類(lèi)粒子）組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)，也就是說(shuō)兩個(gè)粒子不能占據(jù)空間中的同一個(gè)位置。

通俗的說(shuō)，就是這些粒子天生不愿靠在一起，一定要保持距離，這樣就形成了相互之間你推我搡的排斥力，這種排斥力到了越深層次的粒子就越大，能夠抵御的壓力也相應(yīng)越大。巨大恒星中心壓力極大，超新星大爆發(fā)導(dǎo)致的壓力就更高了，這樣中心物質(zhì)就會(huì)在不同壓強(qiáng)下形成不同層次的致密天體。

電子簡(jiǎn)并壓和中子簡(jiǎn)并壓造就了白矮星和中子星。首先，中子星的質(zhì)量介于1.44~3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，小了沒(méi)到達(dá)錢(qián)德拉塞卡極限，也就是1.44個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，重力就達(dá)不到壓縮臨界點(diǎn)，就只能保持白矮星的電子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)。電子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)也是在重力極大條件下，物質(zhì)的原子被壓癟了，不過(guò)還沒(méi)有碎，只是外層電子成為游離電子，而原子核還保持完整的躺在電子海洋中。

這就是白矮星，白矮星依靠電子之間排斥力形成的簡(jiǎn)并壓支撐著重力壓。太陽(yáng)以及8倍太陽(yáng)質(zhì)量以下的恒星，演化后期外殼物質(zhì)會(huì)消散在太空，中心留下一個(gè)質(zhì)量在太陽(yáng)1.44倍以下的白矮星，體積約地球大小，密度達(dá)到1~10噸/cm^3。

當(dāng)白矮星通過(guò)吸積，或者超新星大爆發(fā)后核心殘留的致密物質(zhì)達(dá)到1.44個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以上時(shí)，電子簡(jiǎn)并壓就再也無(wú)力支撐巨大的重力壓力，星球物質(zhì)只有進(jìn)一步坍縮。這樣原子就完全崩潰了，帶負(fù)電荷的電子被壓進(jìn)了原子核，與帶正電的質(zhì)子中和成為了中子，加上原子核中原來(lái)的中子，整個(gè)星球就基本上由中子組成，因此叫做中子星。中子星已經(jīng)完全消除了原子巨大的空間間隙，達(dá)到原子核的密度，約10^15kg/cm^3。

中子星物質(zhì)是目前人類(lèi)觀測(cè)到密度最大物質(zhì)。中子星就依靠中子簡(jiǎn)并壓支撐極高的重力壓，勉強(qiáng)維持著這種極端致密的物質(zhì)形態(tài)。當(dāng)中子星通過(guò)吸積，或者超新星大爆炸核心致密物質(zhì)質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)3倍左右時(shí)，就到了奧本海默極限，中子簡(jiǎn)并壓就也無(wú)法支撐這種壓力了。這時(shí)，就沒(méi)有任何力量能夠阻止物質(zhì)的無(wú)限塌縮了，中子也被壓碎了，我們認(rèn)知的一切物質(zhì)形態(tài)再也沒(méi)有了，這個(gè)天體就成為一個(gè)無(wú)限小的奇點(diǎn)，這個(gè)奇點(diǎn)的密度已經(jīng)無(wú)限大。

雖然這個(gè)奇點(diǎn)沒(méi)有體積，人類(lèi)無(wú)法看到了，但還保有著質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷等物理量，并在奇點(diǎn)周?chē)纬梢粋€(gè)與質(zhì)量成正比的球狀無(wú)限曲率空間，這個(gè)空間什么也沒(méi)有，只有引力場(chǎng)。

這就是黑洞，那個(gè)球狀空間就是黑洞的史瓦西半徑。黑洞奇點(diǎn)已經(jīng)不是我們可認(rèn)知的事物，也不是我們世界的物質(zhì)了。因此中子簡(jiǎn)并壓物質(zhì)是我們能夠認(rèn)知最極端最致密的物質(zhì)。

有理論認(rèn)為，宇宙中可能存在著夸克簡(jiǎn)并態(tài)天體，它的密度大于中子星，僅次于黑洞奇點(diǎn)。不過(guò)迄今為止并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種天體。這樣中子星在宇宙天體食物鏈中，依然占據(jù)著老二地位。

就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。

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