按照爱因斯坦的广义相对论,引力的本质是时空的弯曲。地球之所以绕着太阳转,是因为太阳压弯了时空,地球沿着时空的“直线”(测地线)在运动。
而中子星在宇宙中是仅次于黑洞的可怕家伙,密度巨大。因此,中子星对于时空的扭曲程度远远大于太阳。所以,一般的天体遭遇了中子星,基本上只有被吃掉的宿命。
如果中子星突然出现在地球,别看中子星个头很小,一般来说中子星的半径在10~20公里之间,但情况应该是下图的样子,整个地球肯定瞬间炸掉。
当然,并不是地球没有出息,如果中子星突然出现在太阳身边,其实结果和出现在地球的差别并不太大。那如果是一立方厘米的中子星突然出现在地球上呢?
中子星
这要从中子星自身说起,我们得搞清楚为什么中子星是如此致密的天体。
我们都知道,宇宙万物都是由原子构成的。但是我们要搞清楚一点,原子并不是整整齐齐一个挨着一个排列的,实际上,原子之间是有间距的,而且它们到处乱串。
随着温度越高,原子之间的距离还会越大,粒子运动也会越剧烈。
也就是说,原子之间是有很大的空间的。除此之外,很多人以为的原子结构就像下图那样,原子核和电子,电子绕着原子核在运动。
事实上并非如此,经历了多代科学家的研究之后,科学家发现,原子核其实非常小,如果把原子的大小看成像足球场那大,那原子核可能只有一根头发丝那么大。不仅如此,电子比原子核还要小,而且不是绕着原子核转的,电子其实是呈现概率云的形式,我们并不知道它此时此刻在哪,我们只知道它出现在某个位置的概率是多少。这就说明,原子也并非是实心的,而几乎是空心的。
所以,我们可以来总结一下,实际上,原子之间是有间距的,其次原子并非是实心的,而是几乎空心的。因此,只要外界有足够大的压力,就有可能把压缩原子之间的间距,甚至是压缩原子,把电子压入到原子核内,让原子核几乎是挨在一起。当然,实际上,我们并不具备把天体压缩到这个程度。
但是,我们都知道天体的质量是巨大的,科学家发现,质量大于太阳质量8倍(也有说9倍或者10倍的)的超大质量恒星的引力巨大,当恒星在发生核聚变反应时,核反应向外的压力可以与引力进行抗衡,但是当恒星演化到后期,内核聚合出铁原子核时,要让铁原子核发生核聚变反应需要大量的能量,整个过程吸收的能量大于释放的能量。主要是因为铁原子核是最稳定的原子核,我们也说它是比结合能最大的原子核。
因此,恒星不再具有抗衡自身引力的向外压力。这时候,在引力的作用下,恒星的内核就会向内压缩,这个“引力”十分巨大,电子会在电子简并力下与其抗衡。所谓的电子简并力其实是一种量子效应。电子需要遵守泡利不相容原理。我们简单解释一下,你可以粗暴地了解成,电子其实是需要好好占坑的,一个萝卜一个坑,不能多个萝卜占一个坑。因此,如果有外力作用时,电子可能会被压入到同一个“坑”当中,这时候为了抵抗这个趋势,就会有电子简并力。
如果恒星原本的质量小于8倍太阳质量,演化后期内核的质量小于1.4倍的太阳的质量,那最终电子简并力是可以对抗住引力的,天体会变成一个白矮星。白矮星虽然也很致密,但还没有中子星那样致密,正是因为白矮星只是压缩了原子的间距。
但是当恒星的质量大于8倍太阳质量时,演化末期内核大于1.4倍的太阳质量,电子简并力无法对抗这个“引力”。因此,电子最终会被压入到原子核当中,电子和质子发生反应,生成中微子和中子。因此,整个天体几乎是中子构成,而中子也有中子简并力,它可以对抗这个引力,此时天体就是一颗中子星了。
如果中子的简并力都无法对抗引力,那天体会最终成为黑洞。(不过,按照理论应该下一步是夸克星,但目前还没有发现夸克星的存在,因此,我们目前姑且认为当中子简并力无力对抗引力时,会形成黑洞。
所以,其实中子星是压缩了原子之间的距今和原子自身的空间,让中子几乎是挨着挤在了一起,这才会使得中子星的密度极其高,对空间有极强的弯曲作用。
一立方厘米的中子星物质出现在地球上
通过上文的讲述,其实你也不难理解,中子星之所以能够形成的关键因素是“引力”。如果自身引力不够,那并不能够形成中子星。
所以,“一立方厘米的中子星物质”从中子星当中被取出来时,它会因为引力不够,迅速发生解体,并不会再是原来那种致密的状态,同时,此时的中子也将成为自由的中子,自由的中子会衰变成质子,整个过程平均只需要15分钟左右的时间,也就是成了一坨氢原子核。
因此,这“一立方厘米的中子星物质”放到地球上,并不会发生什么,只是给地球的物质总量添加了一些氢原子核罢了。