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地球可以被压缩吗 宇宙中的致密天体是怎样“制造”出来的?

时间:2013-04-03

这篇文章本来是基于回答一位网友提出的问题,说着说着就引申出了其他的意思,因此形成了本文,与朋友们分享

提示:本文共有 3535 个字,阅读大概需要 8 分钟。

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

这篇文章本来是基于回答一位网友提出的问题,说着说着就引申出了其他的意思,因此形成了本文,与朋友们分享。

问题原题是:地球可以被压缩到多小?

这种问题有点悬,因为没有前提条件。

地球怎么压缩?谁来压?还是按照宇宙中一些天体比例来衡量其密度?

首先应该否定的是,人类没有办法压缩地球,因此这个人为压缩到多小不成立。

迄今为止,宇宙中还没有发现比人类更聪明一点的生物或者文明,甚至最低等的生物在地外也还没被发现。

虽然不能因此否定有地外生物和文明的存在,但它们有能力压缩地球吗?谁也不知道。因此把地球压缩到多小,无法用文明的力量来衡量。

那么我们只能用宇宙中天体的密度来衡量了。

地球在宇宙中算“重”的,密度为5.5g/cm,在太阳系所有行星中是密度最大的,水星排老二,密度略小于地球,为5.42g/cm。

恒星因为是等离子体组成,密度就更低了。

我们知道,所谓的“离子”,就是中性原子跑掉了1个或几个电子,由于电子带负电,原子核带正电,这样跑掉了一些电子的原子就变成了“离子”,带有正电。

啥叫等离子体?通俗的说就是高温的火焰样物体,科学术语又叫“电浆”,是由部分电子被剥夺后的原子团组成的离子化气体状物质。

等离子体本身还是中性的,因为这些跑掉的电子不会走远,还是与离子搅和在一团,才叫“等”离子体,电子“等”在离子身边,整体这团电浆电荷正负是相“等”的。

扯远了,回到密度。

太阳的密度为1.4g/cm,只是地球密度的约四分之一。但太阳质量是地球的33万倍,体积是地球的130万倍。

恒星体积越大密度越小,质量大体积小的恒星密度才更大一些,但都比地球密度要小。

一个比太阳质量大几百倍的恒星,由于其体积巨大,其上面的物质也只能保持在普通物质形态,也就是我们认识的118种元素范围;而特殊致密天体虽然质量没有恒星大,但体积只是恒星的几十万甚至数亿分之一,体积与质量之比变得很小,压力就变得非常极端,物质就被压缩成异常状态。

这种致密天体只能在恒星中心“制造”出来。

宇宙中形成致密天体需要极高的压力,这种压力无法人为做到,也无法在地球上做到。

恒星虽然密度较低,但其质量非常巨大,这样其中心引力压就非常大。

因此恒星中心才是“制造”致密天体的熔炉。

比如太阳中心压力达到3000亿个大气压,在主序星阶段,其主要依靠核聚变巨大的辐射压,抵御引力压,形成一个平衡。

当类似太阳质量恒星寿终正寝时,也就是太阳质量左右到8倍以下的恒星死亡时,中心核聚变停止了,没有了抵御巨大引力压力的能量,恒星核心崩塌,巨大的压力会在中心压缩出一颗白矮星。

白矮星体积只有地球大小,质量却有太阳的60%以上~1.4倍,物质密度达到1~10吨/cm。

一颗质量约太阳8倍以上,30~40倍以下的恒星,演化后期死亡时会发生超新星大爆炸,巨大的核心坍缩压,会在中心部分留下一个半径约10~20公里的中子星,其质量达到太阳1.44倍~3.2倍。

中子星的密度可达1~20亿吨/cm。

中心压力再大,就有可能形成宇宙顶级尸骸~黑洞。

一颗太阳质量40倍以上的恒星,死亡时发生超新星大爆炸后,核心可能留下一颗太阳质量3倍以上的黑洞。

黑洞中心是一个体积无限小的奇点,所有物质都无限的坠落到了这个奇点中,因此奇点密度无限大。

围绕着奇点会形成一个无限曲率(引力)的球面,这个球面叫史瓦西半径,任何物质进入黑洞的史瓦西半径,都只能有去无回,连光也无法逃逸。

黑洞的史瓦西半径与质量成正比,计算公式为:R=2GM/C。

这里,R表示史瓦西半径值,单位m(米);G为引力常量,约6.67x10^-11N·m/kg;M为黑洞质量,单位kg(公斤);C为光速,299792458m/s(米/秒)。

一个3倍太阳质量的黑洞,史瓦西半径约9公里。

因此黑洞看起来就是一个黑咕隆咚的洞,在洞的外围有一个视界,可以观察到物质在掉落进去前迸发出来的亮光,探测到各种高能射线。

地球上无法形成压缩天体的巨大压力。

地球这种质量的星球,其核心引力压只有300万个大气压,对地球的压缩只能这么大,无法再往小里压。

一般物质是依靠原子之间的斥力维持物体形状,比如恒星、行星等天体,包括地球都是属于一般物质组成。

一般物质就是指由我们已知的118种元素组成,这些物质是依靠原子之间的斥力,保持着自身的形状。

原子有一个电子外壳,原子核集中了整个原子几乎全部质量,占整个原子质量的99.96%,而体积只有整个原子体积的数万亿分之一。

而原子的电子外壳是非常牢固的,一般的压力根本无法撼动它,因此依靠原子外壳斥力保持的物体形状,从某种意义上来说,是比较疏松的,中间充满了空间。

只有破坏了原子的电子外壳,疏松的物质才会变成特殊的致密物质。

这种物质已经不是我们所理解的常规物质了,即不是我们所认知的118种元素形态了。

白矮星和中子星等致密天体,就是在极端引力压力下,把原子都压变形了,甚至压碎了,依靠原子外壳形成的支撑力垮塌了,物质成为地球上无法存在的形式。

像地球这种质量体积的天体,显然无法形成这样巨大的压力,物质毫无疑问只会保持着118种元素普通物质状态。

白矮星、中子星是依靠量子简并压维持其暂时稳定。

所谓量子简并压属于泡利不相容原理范畴,这个理论认为微观粒子有一种特性,就是两个相同的粒子之间具有排斥力,它们非常不愿意挤在一起,就形成了一种压力,能够抵御巨大的引力压力。

而且这种排斥压力不同层级的粒子力量大小不同。

电子简并压是依靠电子之间的排斥力来维持物质平衡。当引力压力达到一定程度时,压碎了电子外壳,外层电子脱离原子核成为自由电子,但这些电子还是不愿意挤在一起,就竭力相互排斥形成了一个张力,与引力压力产生了抗衡。

原子外壳虽然被挤压变形了,但原子本身还勉强维持着一个状态,只是原子核已经没有那么安逸的被牢固包裹在外壳中间了,而是荡漾在被压垮的电子海洋中。

白矮星就是依靠这种电子简并压来维持星体平衡,但这种平衡只是相对的,其抵御极限只能达到1.4个太阳质量形成的引力压,当白矮星达到1.44个太阳质量上限时,就会继续坍缩成一个中子星。

中子星是依靠中子简并压维持星体状态的。

中子星的表面压力达到万亿亿亿个地球海平面大气压,是地球中心压力的33万亿亿倍,比太阳中心压力大3.3亿亿倍。

这个时候原子已经完全被压垮了,电子再也无法维持自己的自由状态了,而是被挤压进了原子核,与里面的质子正负中和成为了中子,加上原有的中子,整个星球就成为一个由中子组成的大中子球。

因此这种天体就叫中子星。

中子与中子之间也不愿意密密匝匝的挤在一起,之间还是竭力的保持一点缝隙,于是产生了中子简并压,这种抵御压比电子简并压要大若干数量级。

在中子简并压抵御下,物质密度相当于原子核的密度。

典型中子星保持压力平衡的质量约为2.06个太阳质量。但典型中子星是指不旋转的中子星,这种中子星目前还没有被发现,因此一般认为,中子星奥本海默极限约为3.2个太阳质量,超过这个质量就没有任何力量再与引力压抗衡,只能无限坍缩成为一个黑洞。

致密天体都是人类可看不可近的。

宇宙中白矮星和中子星很多,这两种特殊天体人类分别已经发现了数千颗。

这两种特殊天体有自己的质量下限和上限。

白矮星电子简并压上限是美籍印度裔科学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡计算出来的,因此叫钱德拉塞卡极限;中子星中子简并压上限是由美国天文学家、物理学家尤利乌斯·罗伯特·奥本海默提出来的,因此叫奥本海默极限。

这些特殊天体的存在说明一个通俗简单的道理,当任何物体被压缩到很小的体积时,质量导致的自身引力压力就变得非常极端,也就是同等质量天体,体积越小,其自身引力压力就越大,最终缩小到史瓦西半径时,就会变得无限大。

白矮星、中子星和黑洞是宇宙中巨大质量天体经过特殊演化后的产物,凭人类现在的能力不但无法做到,而且都无法靠近这种天体。任何普通物质组成的物体,包括人类,只要进入这种极端天体引力圈,都毫无悬念的“有去无回“,被打压成这种天体的一份子。

地球上七十多亿人在中子星上,全体会被压缩成不到1立方厘米的物质。

一个普通成年人被中子星引力吸过去,会以一半光速向中子星掉落,形成的冲击能量相当于1~2亿颗广岛原子弹同时爆炸威力。但这点能量在中子星上连1毫米波澜也掀不起来。

我们假设地球被压缩成白矮星物质,半径大约只约100公里左右,这样地球物质密度就达到了1吨/cm以上;而压缩成一颗中子星,半径只有100米左右,这样地球物质密度就能达到1亿吨/cm以上。

而压缩成黑洞,地球的史瓦西半径则只有9毫米,所有质量都集中到中心无限小的奇点上,密度无限。

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