從中子星取一立方厘米物質(zhì)會發(fā)生什么？

虛空之漂者 2023-02-15 發(fā)布于天津

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中子星是除黑洞外密度最大的星體，同黑洞一樣是20世紀激動人心的重大發(fā)現(xiàn)！

物理學(xué)中最有趣、最神奇的實驗往往不具有可操作性，有很多的實驗只能在頭腦里進行，我們稱之為：思想實驗。盡管我們在現(xiàn)實中受到了很多的限制，無法對宇宙中任何物體進行細致入微的研究、解剖和探查，但我們對物質(zhì)以各種形式的存在，及其規(guī)律的理解遠超于目前的實驗水平。

例如，我們在理論上知道中子星的形成過程，也知道它的一些性質(zhì)！現(xiàn)在的問題是：如果我們?nèi)∫活w中子星（假設(shè)是一立方厘米）的一部分，然后把它拉離中子星，會發(fā)生什么？雖然我們無法這樣做，但理論應(yīng)該會告訴我們結(jié)果。

中子星到底是什么?

中子星，顧名思義，它是一顆由中子組成的星球，其物質(zhì)通過強烈的引力結(jié)合在一起，質(zhì)量大約與我們的太陽類似。這里就有個問題，中子不應(yīng)該存在很長的時間，因為它會衰變！現(xiàn)在我們選擇一些任何的粒子，然后將其隔離開來，觀察會發(fā)生什么？質(zhì)子、中子和電子這三種粒子構(gòu)成了我們所知的大多數(shù)普通物質(zhì)，但它們的結(jié)果卻大不相同。

如果上圖中的質(zhì)子和中子直徑為10厘米，那么夸克和電子的尺寸將小于0.1毫米，整個原子的直徑約為10千米。

電子屬于不可分的基本粒子，是帶電荷的質(zhì)量最輕的粒子。據(jù)我們所知，電子完全穩(wěn)定，沒有可能的衰變的途徑。

質(zhì)子是由夸克和膠子組成的復(fù)合粒子。理論（大統(tǒng)一理論）上講，質(zhì)子可能會衰變，所以我們一直在尋找其衰變的證據(jù)。方法其實很簡單：建造一個裝滿單個質(zhì)子的巨型容器，里面有10^32個質(zhì)子，然后等上一年，看看其中是否有一個質(zhì)子會衰變，如果沒有，其半衰期至少是10^32年。經(jīng)過無數(shù)次這樣的實驗，并沒有發(fā)現(xiàn)衰變的結(jié)果，因此我們現(xiàn)在已經(jīng)確定，如果質(zhì)子真的不穩(wěn)定，它的半衰期至少是10^35年（科學(xué)家根據(jù)實驗和理論將質(zhì)子半衰期限制在這個時間內(nèi)），或者是現(xiàn)在宇宙年齡的10^25倍。因此據(jù)我們所知，質(zhì)子也是完全穩(wěn)定的。

但中子不是這樣！觀察一個自由的，沒有束縛的中子，它很可能在15分鐘內(nèi)消失，衰變?yōu)橘|(zhì)子，電子和反中微子。(它的半衰期更短：大約10分鐘。)

那么，怎么可能有一個像中子星這樣的實體呢？

自由中子和束縛中子之間是有區(qū)別的，這也是為什么許多元素和同位素不會衰變的原因：當原子核結(jié)合在一起時，原子核里有一定量的結(jié)合能足夠保持中子的穩(wěn)定！

對于元素來說，某些原子核的構(gòu)型比其他的更穩(wěn)定。目前據(jù)我們所知，有超過254種可能的原子核構(gòu)型是完全穩(wěn)定的，應(yīng)該不會經(jīng)歷放射性衰變。（但也許在足夠長的時間尺度上，其中很多也會變得不穩(wěn)定，只是我們還沒有觀察到而已。）但是穩(wěn)定的原子核沒有一個是很重的，或者由很多的中子組成。最重的穩(wěn)定元素是什么？那是鉛，82號元素，有四種已知的穩(wěn)定同位素：Pb-204、Pb-206、Pb-207和Pb-208。

在所有已知的元素中，有82個質(zhì)子和126個中子的原子核是最重的穩(wěn)定原子核。

但以上是假設(shè)核力是把中子綁在了一起，才不會衰變。就中子星而言，還有別的東西在起作用。為了理解其發(fā)生了什么，讓我們再來看看中子星是如何產(chǎn)生的。

在質(zhì)量最大的恒星中（輕星團中最亮、最藍的恒星）它們的核心將氫聚變成氦，所有的恒心都會經(jīng)歷這個過程。然而，與類太陽恒星不同的是，它們不需要數(shù)十億年的時間來消耗它們的燃料，而只需幾百萬年（甚至更少）的時間其氫燃料就會耗盡，因為大質(zhì)量恒星內(nèi)部極高的溫度和密度導(dǎo)致了非常迅速的聚變反應(yīng)。

當它們的核心耗盡氫燃料時，內(nèi)部開始收縮，導(dǎo)致溫度升高。當它達到一定的臨界溫度時，核心中的氦開始聚變成碳，導(dǎo)致更大的能量釋放率。

僅僅幾千年后，氦燃料就會耗盡，內(nèi)部會進一步坍塌，溫度升高到太陽核心永遠無法達到的溫度。在這種極端的條件下，核心的碳開始聚變成氧，然后在類似的連續(xù)反應(yīng)中，氧聚變成硅和硫，硅聚變成鐵，接下來，就出現(xiàn)問題了。

上圖可以看到：鐵是最穩(wěn)定的元素。它的原子核中有26個質(zhì)子和30個中子，每核子的結(jié)合能最高，這意味著任何其他的構(gòu)型都不如它穩(wěn)定。因此比鐵更重的元素，并不通過將鐵和其他元素融合形成的。相反，當核心充滿鐵時，不再有燃料可以燃燒，核心開始因引力而收縮。隨著時間的推移核心變得越來越熱，密度越來越大。

最后，達到了一個閾值，電子和質(zhì)子開始融合在一起，產(chǎn)生中子、中微子和巨大的能量！

這種失控的反應(yīng)產(chǎn)生的能量如此之大，導(dǎo)致了整個恒星的外層在超新星爆發(fā)中被摧毀，而電子和質(zhì)子融合成中子和中微子只需要幾秒鐘的時間。

超新星爆發(fā)后，雖然外層需要幾周到幾個月的時間才能被吹走，但核心在巨大的影響下凝結(jié)成一個中子球，這種影響不是來自核力，而是來自重力。

中子星的核心大約相當于一個太陽的質(zhì)量，被壓縮成半徑只有幾公里的體積。它的密度約為每立方米10^19千克，是宇宙中已知的密度最大的物理三維物體。

為了使中子在放射性衰變中保持穩(wěn)定，它需要有比中子和質(zhì)子的質(zhì)量差更大的結(jié)合能，大約是1mev，大約是中子質(zhì)量的0.1%。雖然核心的中子很容易被束縛，但表面的中子是最脆弱的。我們假設(shè)一顆中子星的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量，半徑只有3公里，一個被束縛在其表面的中子，其結(jié)合能約為400兆伏，足以防止其衰變。

如果我們從中子星中取出一立方厘米的物質(zhì)會怎樣？我們會得到什么呢？

取出中子星物質(zhì)，引力結(jié)合會大大減小，這遠遠不足以阻止中子衰變！實際上，我們在宇宙中也遇到了類似的情況：中子星與中子星相撞。當大部分物質(zhì)可能合并形成黑洞時，約有3%的質(zhì)量被拋出。這些被拋出的碎片并沒有產(chǎn)生任何奇異的物質(zhì)，它們會以驚人的速度衰變，產(chǎn)生元素周期表中最那些最重的元素。如果你想知道地球上大部分像黃金這樣的元素是從哪里來的，答案是：中子星的合并！