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比钢硬100亿倍,宇宙中的“最硬”物质!此“硬菜”来自中子星

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你好科普 2021-09-15 13:18

前言

坚如磐石、无坚不摧、固若金汤、牢不可破……“如果说到这些词语,你首先会想到什么?相信大多数人都会想到身边的坚硬物体,比如岩石、钢铁、合金、钻石等等。

确实,这些物体都非常的结实坚硬。从建筑在文明中发展的那一刻,地球上的物质就在不断地被人们发现,最初石器时代的石头树木,对原始人来说坚硬锋利,制成武器可用来捕猎;到中世纪金属的大量利用和冶炼技术的提升,越来越多的金属也进入到了人们的日常生活之中。到了今天,先进的科学技术已经能够人工进行材料合成,各种高硬度的合金,坚硬无比的金刚石在生活中已经非常常见。

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钻石母石——金刚石

物质的质量与密度

要评判一个物体的坚硬程度,那肯定需要从质量、密度上去侧面开始。一般而言,无论哪种物质,不管它的状态如何,随着温度、压力改变,相应的体积和密度也会发生改变,对于不同物质其考虑的条件也会有些改变。

对整个宇宙来说,强大的压力会使天体中物质密度与平常密度相差悬殊。在现代物理学中,质量表明了物质之间的不同属性,主要在“惯性质量“和”引力质量“上表现出来,物体的质量同时也受到引力场的影响

宇宙中的天体

大体来说物体的质量可以在密度与硬度上一呈现出来,但实际上两者间并没有绝对联系,不同物质也有不同的计算标准,而且所属概念也不同,但质量可以靠密度客观的体现出来;而硬度又从材料的局部抗硬物压入能力侧面体现,从而形成我们日常对物体坚硬程度的判定。

地球之硬

在地球上,已经有不少被发现或者合成的物质具有相当的硬度,例如刚玉、六方金刚石、氮化碳、合金钢、铬等等。最让人熟知的可能就是金刚石,也就是我们平时所说的钻石。

一颗钻石永流传

金刚石的组成单一,只有碳元素稳定的晶体构造使得金刚石拥有强大的硬度,而最坚硬的六方金刚石比普通金刚石还要硬一半以上。作为重要的工业材料,金刚石制作的刀具可以轻松地划开玻璃这类硬度很高的物体,而金刚石的外观构造也在珠宝市场上拥有一席地位。

金刚石刀具

除了矿物,还有金属,工业生产的钢铁合金就是非常好的代表。硬质合金里就有钨钢这样坚硬无比的金属,通过添加金属碳化物烧结复合钢材拥有非常高的硬度和强度。钨钢硬度高、耐热、耐腐蚀,即使在1000摄氏度的情况下依旧有很高的强度,强大的物理特性使得钨钢可以轻松切开其他普通金属,一般用来作为金属切割器材的刀片或者加工材料使用。

而平常看似脆弱的玻璃,如果以特定的形态制作,也能够变得跟钢铁一般坚硬,甚至超过钢铁。这便是鲁伯特之泪,这种水滴状的玻璃珠的制作方法非常简单,就是让液态玻璃自然滴落在水里冷却,所形成的一种像彗星似的的玻璃珠

鲁伯特之泪

由于玻璃在冷却过程中泪滴状的头部外层迅速冷却后,内部仍没有完全凝固,这之中产生的残余应力和玻璃外层的拉应力平衡,泪滴状的头部便会有高达几百兆帕的抗压力,只要能够保证纤细的尾部末端不受到太多的力,鲁伯特之泪也不会破碎,能够和金属硬碰硬。

以上这些代表仍不是地球最坚硬的物质,现如今被认为地球上的最硬的物质是碳炔,让碳原子聚在一起形成的碳链,碳原子再键合让碳原子稳固的连接在一起,形成了结构稳定且极其强韧的物体。碳炔的硬度比钻石强出几十倍,比钢铁还要强200多倍,即便是石墨烯这种高强度的材料,抗拉程度仍能够比其强出几倍,非常的强大。

碳炔

宇宙内的物质

让我们把目光放到宇宙,在这里有更多的物体,肯定也会有更多更坚硬的物质,这一次我们直接聚焦在天体上,毕竟宏观的宇宙上观察,天体是最为直观的。

宇宙里最直接明显的便是恒星,恒星死亡后演变的中子星、黑洞、白矮星便是它们的终极形态,白矮星是恒星死亡后较为常见的一种状态,恒星在能量燃烧殆尽后便会逐渐冷却,形成白矮星。白矮星的内部压缩使得其拥有比恒星时更高的密度和质量,如果太阳变为了白矮星,密度至少有每平方米1.41 ×10的11次方千克。

白矮星

比白矮星更加“结实“的便是中子星和黑洞,更大的恒星更有可能成为这类天体,关于黑洞,目前科学家所了解的信息并不够,只知道这是宇宙中密度最高引力最强的天体,关于它一切都还是未知。而中子星不同,中子星位于白矮星和黑洞之间,并且可以观测到,是除黑洞外已知密度最大的天体

要形成中子星首先要满足“大“这个条件,一般10-29倍太阳质量的恒星才有可能转变为中子星。恒星在塌缩的过程中会产生超大的压力,使得所有物质结构发生改变并被挤压在一起,组成物质最基本的原子里的质子和中子会被挤压出来,质子和电子结合构成中子,所有形成的中子再被挤压在一起,构成了中子星,中子星的中子无法脱离中子星,强大的引力和压力才让中子有机会存在。

中子星

由于中子星极其强烈的塌缩,所有物质被挤压在了一团,原来庞大的恒星天体便会变为只有半径几十千米拥有铁质外壳的天体。这让中子星的密度异常的大,地球上常见的钢的密度为7.85g每立方厘米,密度最大的金属锇,每立方厘米22.5g左右,而1立方厘米中子星能够达到不可思议的地步——1亿吨,甚至数十亿吨。地球上最坚硬的物质,和中子星对比起来完全不是一个量级。

  • 中子星

中子星除了非常的“重“以外,其自身的引力也是异常强大。中子星强大的引力把所有物质紧紧地压合在一起,自身的温度已经达到了几十万度引力也超出你能想到的概念,1000亿倍的引力使所有的中子挤压在中子星的内部形成流体

内部物质为流体的中子星

这种异常强大的引力让中子星看起来会像是一个很标准的球体,但宇宙天体里始终是存在角动量的,中子星严格意义来说还是会偏椭一点。如果说中子星上有一座高山,那么这座山也不会超过3厘米,仅次于黑洞引力的中子星,光在逃逸中子星时几乎是被抛射出去成一个曲线。

光的逃逸

中子星的形成看似离谱,但还是基本符合一定的物质规律。任何物质,只要不断施压,密度都将变高,在极强的压力作用下,普通物质也能够变成中子态,元素概念也将会在这个状态消失。

物质密度能变得如此高也是因为原子内部相对广阔的空间,原子核和电子在原子里所占的空间非常小,这让原子具有可压缩性。而普通物质想要变成中子态还必须克服基本粒子的电子简并压力,要克服这种压力必须在非常极端的环境下才能做到,中子星便是这种环境下才能存在。如果脱离了中子星,中子便会产生β-衰变,释放出电子核反中微子,中子便会成为质子,而中子半衰期只有10分钟

地球内部也能发射反中微子

中子星合并也能让人类观测到引力波。中子星极端的存在在合并时能够释放出超过太阳千亿年的发光能量,在合并过程中还有大量的物质沿各个方向抛射出去,形状会像是一个球体,抛射出去的物质在中子俘获的过程中还会产生大量的重元素,这些元素科学界目前断定,宇宙中的金、超铁元素主要起源在中子星合并

宇宙中的引力波

  • 宇宙中最硬的物质

为了更加形象地研究中子星,科学家还拟想了以具象化的方式观察这些奇特极端的物质,写出了“核意面的弹性“为题目的论文。

科研人员基于中子星上得来的数据用计算机模拟出了核意面。在中子星内,核吸引力和库伦排斥力旗鼓相当,力与力之间的竞争让中子和质子能够以各种复杂奇异的结构组装,因为中子星的内核形似意大利面,核意面的名字也是由此而来。这份来自中子星的“硬菜“可能是宇宙中最硬的物质,与钢的硬度相比,要比它硬100亿倍。

中子星的内部“意面”形态

形态少量的质子对核意面的形成非常重要,质子与中子之间的核吸引力要比两个质子或者中子大得多,类似一种简并压力。质子维持了核意面的稳定形态,而质子的电荷斥力与原子核之间的引力竞争形成了核意面

中子星内部的流状态无法很好地观察到核意面是否存在,但在表面常规核核心之间形成了一个过渡区,过渡区顶部的压力足够大,能够让普通的原子核聚集成更大的半球形,这种形态的被称为“意大利团子态“

原子核

除了意大利团子态外,在中子星更加深层的内壳中还有“意面态“、”千层面态“、”华夫饼态“,这些形态各异的物质组合都是因为中子星内部超强的引力压缩和电子、中子的排斥组成

  • 恒星宿命

几乎所有的恒星都逃不过3种结局,白矮星、中子星、黑洞。我们所熟知的太阳便会演化成一颗白矮星,在能量燃烧殆尽后,最终冷却。

这颗火球终将成为一颗白矮星

中子星的宿命看起来要好很多,中子星的前身为红超巨星,在成为中子星之前,要足够大的质量才能成为中子星,而中子星的爆发在带来致命的宇宙射线同时,还有大量的元素和物质被抛散在宇宙中促使新的天体诞生。最终极的极端天体,便是至今为止都非常神秘的黑洞,我们既无法直接观测也无法靠近。

黑洞

结语

和地球上的物质相比,浩瀚的宇宙充满了许多令人不可思议的存在,地球上让人啧啧称奇的物质放在宇宙里显得微不足道,在让我们好奇心得到满足的同时,也是对这个世界的一种探索方式

宇宙有待人类探索

也许我们在未来某一天能够看到更多令人惊讶的天体和物质,而中子星和黑洞这种极端也证明了一切都有存在的可能性,也许到了未来某天中子星可能真的能够作为一道“菜肴“供我们开发使用,里面也许还有更多关于事物本质的发现。

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