在浩瀚宇宙中,中子星与黑洞无疑是最让人毛骨悚然的天体。尤其是黑洞,其核心奇点的密度无穷大,远超出我们的认知范畴。
即便是密度惊人的中子星,每立方厘米的质量也超过一亿吨,这已经超出了元素的范畴无法解释。那么,黑洞内部隐藏着什么样的物质呢?
我们先来详细了解黑洞的特性。
黑洞实际上并没有确切的大小。黑洞本身是体积无限小的奇点,密度无穷大。我们通常所见的黑洞大小,其实是以奇点为中心,史瓦西半径为半径所形成的球面。
任何物体都有其对应的史瓦西半径,黑洞也不例外。史瓦西半径与物体的质量成正比关系,质量越大则史瓦西半径也越大。有一简单的公式可以计算物体的史瓦西半径。
我们可以这样理解史瓦西半径:任何物体,一旦被压缩至其史瓦西半径,就会塌缩成黑洞。
尽管史瓦西半径有具体的大小,但黑洞其实并没有大小,所有的质量都集中于奇点上。在物理学中,我们研究的是具体的物理量,而无穷属于抽象概念,因此,黑洞和奇点本身无法用现有物理定律来解释。
由于黑洞的所有物质都集中于无穷小的奇点上,所以黑洞内部不存在我们所知的任何元素。
事实上,即使是白矮星,其组成也不再是我们所熟知的元素。
我们的太阳最终也可能会成为白矮星。科学家们认为,质量在0.5到8倍太阳之间的恒星,其死亡会以白矮星的形式结束。白矮星实际上是质量较小的恒星死亡后的残骸。
千万不要小觑白矮星,其密度也是极高的。在小质量恒星死亡的过程中,在自身重力的作用下,它会向内塌缩,核外电子转变为自由电子,但大体上仍保持原子状态。白矮星靠电子简并压与引力达到平衡,所以也可以将其称之为“电子简并态物质”。
电子简并压又是什么呢?
根据泡利不相容原理,两个或两个以上的粒子不能占据同一量子态,当两个或多个电子试图占据同一量子态时,就会产生巨大的力量,这就是电子简并压。
可以打个比方,你喜欢独自一人待在房间,如果有人试图进入,你会用力将其推出,你的推力就相当于电子简并压。
白矮星正是依靠电子简并压与引力抗衡,防止自身无限塌缩。
白矮星的密度能达到每秒1吨到10吨,因此,白矮星的物质组成也不是我们所知的任何元素。
形成后的白矮星,会依靠自身的强大引力不断吞噬周围物质,哪怕是恒星也会被其蚕食。当白矮星质量达到极限——所谓的“钱德拉塞卡极限”,大约为太阳质量的1.44倍时,电子简并压也无法抵挡巨大的重力,白矮星会进一步塌缩,引发超新星爆发,最终可能塌缩成中子星。
换句话说,钱德拉塞卡不仅是白矮星的极限,也是中子星的起点。
中子星,如其名,完全由中子组成,可以说是一个巨大的“原子核”,核外电子被完全压入原子核,与质子结合成中子。
中子星的密度极大,每立方厘米的物质质量可以超过一亿吨。中子星的存在是因为中子简并压的存在,这是一种比电子简并压更强大的力量,足以平衡中子星自身的强大重力。
但即便是强大的中子简并压,也有其极限——奥本海默极限。当中子星质量达到这个极限,约等于三个太阳质量时,中子简并压也无法支撑巨大的重力,导致中子星塌缩,最终形成黑洞。
尽管白矮星和中子星的内部物质已超出元素的范畴,我们至少还能了解它们的内部组成。白矮星内部主要由原子组成,但已非普通原子;而中子星则由紧密排列的中子组成,极其致密。
但对于黑洞,则完全超出了我们的认知,我们无法确定奇点究竟为何种存在状态。
到目前为止,包括人造元素在内,人类已知的元素有118种,密度最大的元素也只有每立方厘米22.8克,而白矮星密度为每立方厘米10吨,中子星更是高达每立方厘米一亿吨以上。
即便是已知的最终元素,与白矮星和中子星相比,也完全不在一个水平线上。科幻小说《三体》中提到的奇异物质“水滴”就极为沉重,密度可媲美中子星。
那黑洞奇点又如何呢?
对于黑洞奇点,我们不能用常规思维去理解,远非将中子星内部压碎那么简单。因为无论中子被压得多碎,它总是有一定的体积,而无论密度多大,总是可以度量。
但奇点却无体积可言,它无限小,密度无限大,早已超出了我们对物质的理解。
简单来说,黑洞奇点不属于我们的四维时空,而是“超时空”的存在。难怪生活在四维时空的人类难以窥视黑洞的秘密。
如果能够通过黑洞奇点了解“超时空”的奥秘,可能会引领人类进入一个全新的时代,揭示更多自然奥秘,甚至直接揭示宇宙的底层法则。
这也是科学家们对黑洞如此痴迷的原因,他们相信黑洞奇点必定隐藏着更高级的自然法则,甚至可能揭示通往高维度的秘密!