三百多年前,牛顿提出了伟大的万有引力定律。万有引力让牛顿足够伟大,让我们知道了万物之间都存在引力,引力的大小与物体的质量成正比。



也有人对引力进行了更深层的思考:地球的质量如此之大,为何不会因为承受不了自身的引力而发生塌陷呢?

换句话说,地球为什么没有在自身引力作用下一直向内坍缩,坍缩成乒乓球大小或者更小的物体呢?

这个问题看起来有些无厘头,但确实是一个好问题,也确实引发了人们的一系列思考,而且这些思考一直延续到今天。

如今我们知道,地球之所以没有在引力作用下向内塌陷,还是因为地球的质量不够大,自身产生的引力并不能将地球最内部的原子压扁。

如果一个天体的质量比地球大很多,会怎么样呢?比如说我们的太阳,会不会在巨大引力作用下向内坍缩呢?



答案是:会的。但这个答案显然不是那么简单。包括太阳在内的所有恒星的形成过程,其实都是星际云不断向内塌陷的过程。在强大的引力作用下,星际云物质不断被拉伸聚集到一起,不断向内塌陷。

如果没有其他力量与引力抗衡,星际云物质肯定会一直向内塌陷,也就不可能诞生恒星。



但事实上星际云物质并不会无限向内塌陷,因为当塌陷到一定程度,核心就会在极度的高温高压下发生至关重要的宇宙大事件:核聚变。而核聚变发生后,就会产生巨大的外推力,这种力量足以与强大的引力抗衡,阻止恒星物质继续向内坍缩。

这也是太阳等恒星能保持上百亿年稳定的原因所在,当核聚变产生的外推力与万有引力保持平衡,太阳当然能稳定的持续燃烧。



拿我们的太阳来讲,地球的质量已经高达60万亿亿吨了,太阳的质量达到地球质量的33万倍,如此大的质量产生巨大的引力,让太阳最核心氢原子承受巨大的压力,也就引发了核聚变。

太阳最核心温度达到1500万度,每秒消耗大约400万吨的氢,转化为光和热。核聚变产生的能量也阻止了太阳在自身引力的进一步坍缩。

不过,随着氢燃料的一点点减少,核聚变与太阳引力之间的微妙关系会逐渐被打破,到了太阳生命晚期,核聚变力量显著较少,引力逐渐占据上风,于是太阳自身稳定的平衡开始被打破,引力开始发了疯似的拉拽着恒星物质向内坍缩,开始了新一轮的爆炸和平衡,让太阳核心温度持续升高,可以达到上亿度。

质量不断变小的太阳,显然已经没有那么大掌控力了,把持不住稳定的局面了,剧烈的爆炸把太阳外层物质不断向外推,此时的太阳已经不能叫恒星了,而是演变为巨大的红巨星。



太阳演化为红巨星后,体积膨胀得非常厉害,是如今太阳体积的大约1000倍,甚至能把水星和金星吞噬掉。

最终太阳这颗红巨星只会留下一个致密的内核,也就是白矮星,大约只有地球大小,外层物质都被抛洒到浩瀚星际空间,留下绚烂的光彩。



太阳演化为红巨星,再到白矮星的过程并不是一蹴而就的,而是一个相当漫长的过程,甚至需要上亿年的时间。

白矮星仍旧会发出微弱的光芒,但远不能照亮太阳系。白矮星主要由碳,氧和氖元素组成。由于太阳的质量还不够大,并不能生成铁元素。

而铁元素对于恒星来讲是一种非常“致命”的元素,因为一旦恒星聚变到铁元素,就宣告了恒星的死亡,为什么会这样?



简单讲,因为铁是最稳定的元素,铁之前的元素发生聚变时都会释放能量,但铁以及铁之后的元素聚变时需要吸收能量,或者说消耗的能量比产生的能量更多。

因此,要想依赖铁元素的核聚变反应维持恒星寿命,显然是不现实的。

当恒星聚变到铁元素之后,宣告恒星的死亡。恒星死亡之后,自身引力会彻底占据上风,没有了核聚变与引力对抗,引力会把恒星物质急剧向内拉拽。

在自身重力作用下,恒星核心产生了足够大的压力和温度,足以让铁元素继续发生聚变。如果恒星的质量足够大,就能够对抗强大的电子简并压,把电子挤压到原子核上,与质子结合形成中子,这就是中子星的由来。



何为电子简并压?首先要了解泡利不相容原理,讲的是两个费米子(也就是基本粒子)不能位于相同的量子态,当外部力量强迫费米子这样做时,费米子就会产生强大的斥力,比如说电子之间,就会产生强大的电子简并压。

打个比方,你就是喜欢一个人独处,当别人试图进入你的房间时,你就会用尽全力推开他,你的推力就相当于电子简并压。

电子简并压是很强大的,不过只要恒星质量够大,也足以超越电子简并压,把电子压缩到原子核上。



科学计算表明,电子简并压最多能支撑的质量大约为太阳质量的1.4倍,也就是所谓的“钱德拉塞卡极限”。注意这里的质量并不是恒星本身的质量,而是恒星演化为白矮星的质量。

当白矮星的质量超过钱德拉塞卡极限,白矮星就会继续向内坍缩,最终形成中子星。

那么,如果中子星质量足够大,大到超过了中子简并压,一种比电子简并压更强大的力量,会怎么样呢?



研究表明,中子星也存在压力的上限,叫做“奥本海默极限”,大约相当于太阳质量的3倍,当奥本海默极限被打破时,中子简并压也无法阻止中子星继续向内坍缩,坍缩到极限,一直到无穷小的奇点,形成恐怖的黑洞。

人类研究的对象都是有限的,具体的,因此,任何涉及无限的物理量都很难被理解,因为无穷是抽象的概念。比如说奇点,我们很难想象一个体积无穷小的奇点是如何存在的。



现实的情况就是这样,人类已知的所有大自然法则在奇点面前都失效了。我们只能通过黑洞奇点与周围物质的相互作用,推测黑洞可能拥有的特性。

有科学家大胆提出这样的猜测,黑洞根本不属于我们的世界,因为黑洞奇点完全超出了四维时空的范畴,完全不属于四维时空,很可能属于高维度时空,或者说是“超空间”。



这也是弦理论提出的高维度思想,认为我们的世界拥有多达11个维度,除了我们所在的四维时空,还有7个维度,它们卷曲在极小的普朗克尺度里。

世界的本质或许就是这样,极大的事物往往与极小的事物紧密地连接在一起。

我们经常会问:宇宙到底有多大?或许,当我们真的来到宇宙边界时,会猛然发现,原来宇宙的边界就藏在无穷小的普朗克尺度里!

这也是为什么很多科学家坚信,黑洞奇点一定隐藏着宇宙的本来面目,宇宙的真相!

完!

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