高密度天體質(zhì)量越大，體積越小，這里面蘊(yùn)含著什么規(guī)律？

如果我們研究宇宙天體，會(huì)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越大的體積越小，這是為什么呢？

都是萬有引力惹的禍

其實(shí)其中的道理并不復(fù)雜，說穿了很簡單，就是萬有引力在里面起作用。因?yàn)橘|(zhì)量越大的天體，引力越大，形成的重力向心壓力就越大，物質(zhì)就會(huì)被壓縮得更緊密，這樣體積相對(duì)質(zhì)量就會(huì)更小了。

尤其是白矮星、中子星、黑洞等高致密天體，表現(xiàn)得更為顯著。其實(shí)從白矮星開始，組成這些高密度天體的物質(zhì)就不是我們通常認(rèn)識(shí)的元素了，而是物質(zhì)的第六態(tài)，也就是除了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)、波色-愛因斯坦凝聚態(tài)等五態(tài)，增加的物質(zhì)形態(tài)~簡并態(tài)物質(zhì)。

簡并態(tài)物質(zhì)又有電子簡并態(tài)和中子簡并態(tài)兩種，可能還有夸克簡并態(tài)，但迄今沒有發(fā)現(xiàn)。

何謂簡并壓呢？

這就得了解一下量子力學(xué)泡利不相容原理了。這個(gè)原理是美籍奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇l(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立的，是微觀粒子運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律之一。這個(gè)理論的內(nèi)核是，在費(fèi)米子系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或以上的粒子處于完全相同狀態(tài)，通俗的理解就是不能無隙縫地?cái)D在一起。

我們世界有兩種性質(zhì)的粒子，一種是玻色子，指自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子，如光子、膠子、介子等；另一種就是費(fèi)米子，是指自旋量子數(shù)為半奇數(shù)的粒子，包括電子、質(zhì)子、中子、夸克等。玻色子粒子沒有泡利不相容現(xiàn)象，只有費(fèi)米子粒子遵循泡利不相容原理。

費(fèi)米子粒子對(duì)自己同伴具有排他性，它們不能占據(jù)空間站同一個(gè)位置，靠攏了就會(huì)像小孩子玩游戲相互推搡，排斥別人與自己靠近，靠得越緊，排斥力就越大，這種推搡排斥的力就叫簡并壓。

簡并壓不是已知四種基本力中的任何一種，四種基本力的作用機(jī)制都是依靠相互交換媒介，簡并壓只發(fā)生在全同粒子之間，不涉及任何力，本質(zhì)上是一種波函數(shù)的干涉效應(yīng)，有點(diǎn)像分子熱運(yùn)動(dòng)，溫度升高體積就膨大。

簡并壓越到原子內(nèi)部深層次，粒子間隙就越小，表現(xiàn)出來的排斥力就越大，但因此密度就會(huì)越來越大。

白矮星是電子簡并態(tài)物質(zhì)

這種物質(zhì)就是依靠電子簡并壓抵御重力向心壓，維持一個(gè)平衡，讓白矮星保持星體形狀。電子簡并壓是遵循泡利不相容原理中，分子軌道中一個(gè)原子軌道只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。軌道能級(jí)越低，電子距離原子核就越近，簡并壓就越大。

當(dāng)萬有引力將電子與原子核之間的距離壓縮到很近時(shí)，低能級(jí)軌道就擠滿了電子，相互靠近的電子就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大排斥力，阻止物質(zhì)體積進(jìn)一步縮小。

電子簡并態(tài)物質(zhì)，是一種雖然原子外殼被擠破，電子已經(jīng)被壓縮到極低軌道，但依然沒有觸動(dòng)原子核。這些原子核漂移在電子海洋中，還保持著原子特性。因此白矮星的體積就還有地球這么大，質(zhì)量卻和一顆太陽差不多，密度達(dá)到1~10噸/cm^3。

當(dāng)值簡并壓的支撐力度只能抵抗1個(gè)太陽質(zhì)量左右的重力壓力，到達(dá)太陽質(zhì)量1.44倍時(shí)就會(huì)被壓垮了。

中子星由中子簡并態(tài)物質(zhì)組成

白矮星通過吸積，質(zhì)量進(jìn)一步加大，重力向心壓力就會(huì)增大，電子之間與原子核的空間就會(huì)進(jìn)一步被壓縮，天體體積就會(huì)進(jìn)一步縮小。

當(dāng)白矮星質(zhì)量到達(dá)太陽的1.44倍，就到了壓垮電子簡并壓的臨界點(diǎn)，科學(xué)術(shù)語叫“錢德拉塞卡極限”。在這種重力壓力下，電子簡并壓就無法支撐強(qiáng)大的重力壓力了，整個(gè)原子就完全被壓碎壓垮了，原子核與電子之間就再也沒有空隙了。

帶負(fù)電荷的電子被壓縮進(jìn)了原子核里面，與帶正電荷的質(zhì)子中和變成了中子，整個(gè)原子核就都變成了中子，而且整個(gè)星球都成為一個(gè)大中子核組成的星球，這樣這個(gè)星球就成為了中子星。

中子星由中子簡并態(tài)物質(zhì)組成，整個(gè)星球（物質(zhì)）完全依靠中子與中子之間的排斥力支撐著，這個(gè)支撐間隙就極小了，星球密度達(dá)到原子核密度甚至更高，達(dá)到1~20億噸/cm^3，這樣中子星的半徑就只有10km左右了。

簡并壓層次越深入質(zhì)量越大，體積越小

從白矮星和中子星的質(zhì)量和體積，我們可以看出電子簡并壓支撐的物質(zhì)空間比中子簡并壓支撐的空間要大多了，但支撐力量就比中子簡并壓小多了。理論上夸克簡并壓比中子簡并壓的支撐力量更大，物質(zhì)密度也將更大。但迄今為止科學(xué)家們還沒有發(fā)現(xiàn)夸克星的存在。

當(dāng)引力壓力再大，也就是中子星達(dá)到約3個(gè)太陽質(zhì)量左右時(shí)，又到了一個(gè)臨界點(diǎn)，科學(xué)術(shù)語叫做“奧本海默極限”。

到達(dá)這個(gè)極限，中子簡并壓或者說夸克簡并壓也支撐不住引力壓了，物質(zhì)將進(jìn)一步坍縮，這次就會(huì)將中子乃至夸克都全部壓碎，物質(zhì)再也不以我們能夠認(rèn)識(shí)的粒子形態(tài)存在了，而天體體積會(huì)坍縮成無限小的一個(gè)奇點(diǎn)，這就是黑洞。

黑洞實(shí)體是奇點(diǎn)，具有無限小體積

理論上，黑洞就是由中心一個(gè)無限小的奇點(diǎn)，以及圍繞著奇點(diǎn)形成的球狀史瓦西半徑（事件視界）組成的?，F(xiàn)代科學(xué)無法解釋奇點(diǎn)是什么，主流科學(xué)家們認(rèn)為那里是時(shí)空的終結(jié)點(diǎn)，是超時(shí)空的東西，也就是說不是我們世界能夠理解的事物了。

我們對(duì)黑洞的觀測(cè)，只能從其質(zhì)量形成的史瓦西半徑來了解。史瓦西半徑就是任何有質(zhì)量物體都存在的一個(gè)臨界半徑，在極其強(qiáng)大的壓力下，物質(zhì)全部質(zhì)量就會(huì)坍縮進(jìn)這樣一個(gè)半徑里面，從而形成一個(gè)奇異空間，核心是一個(gè)可視為無體積的奇點(diǎn)，周圍與質(zhì)量成正比形成一個(gè)球狀空間，這個(gè)球狀空間的半徑就叫史瓦西半徑。

史瓦西半徑計(jì)算公式為：R=2MG/C^2。根據(jù)公式計(jì)算，我們可得出太陽的史瓦西半徑約2952米，地球史瓦西半徑約9毫米。所有的黑洞史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比，并呈現(xiàn)線性關(guān)系。

宇宙中發(fā)現(xiàn)最小的黑洞在3倍太陽質(zhì)量以上，其史瓦西半徑約為8856米；已知最大黑洞編號(hào)為SDSS J073739.96+384413.2，質(zhì)量為太陽的1040億倍，其史瓦西半徑約為3070億公里。

史瓦西半徑是質(zhì)量形成的絕對(duì)曲率（引力）控制范圍，任何物質(zhì)進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，都將有去無回，連光速也無法逃逸。這就是致密天體質(zhì)量越大體積越小的原因。

導(dǎo)致這種現(xiàn)象的內(nèi)因就是引力，質(zhì)量越大引力向心收縮力就越大，當(dāng)引力達(dá)到極端時(shí)，物質(zhì)就會(huì)化為烏有。

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