致密天体:白矮星、中子星与黑洞
中子简并压力
是什么阻止一颗死去的恒星一路塌缩到虚无?在白矮星里,是电子拒绝被挤到一起、守住了防线。但若压得更狠——越过钱德拉塞卡极限——连电子也会让步,被压进质子里、合成中子。如今轮到中子接过这场抗争,它们反过来拒绝被压得更紧。它们所施加的向外推力就是中子简并压力,正是它撑住了中子星——存在的最致密的稳定物质。
其背后的规则与撑住白矮星的是同一条:一条叫泡利不相容原理的量子定律,禁止两个相同的粒子占据同一个状态。把中子挤到一起,它们便被迫越动越快以躲开彼此,而这种运动就是一种压力——而且了不起的是,它无需任何热量。即便在接近绝对零度时也照样有效。但中子比电子重将近两千倍,能被压得近得多,所以中子简并能在惊人的密度下抵抗引力——其密度堪比一个原子核,是水的几百万亿倍。
和电子简并一样,这种支撑也有它自己的崩溃点。存在一个中子星质量上限(托尔曼—奥本海默—沃尔科夫极限,大约在两到两点三个太阳质量之间),超过它,连中子也赢不了,恒星便塌缩为黑洞。一个重要而诚实的提醒:中子星内部如此极端,纯粹的中子简并只是故事的一部分——中子之间的强核力也有贡献,而那种密度下物质的确切行为,至今仍是一个悬而未决的研究课题。
想象一座挤得肩并肩的体育场。人们可以拒绝被推得更近——那种人群压力就是简并。白矮星用的是「电子人群」;当它们被压垮,体型小得多、数目多得多的「中子人群」便接手,把物质又压紧十亿倍。
与白矮星是同一条量子「不许更近」的规则,但中子能压得紧密得多。
真实的中子星并非仅靠简并撑住——强核力也很关键。所以其质量上限与内部构成至今仍不确定,是物理学一个活跃的前沿。
又称
另见