在万有引力的理论被牛顿揭示之后,人们曾经好奇地思考:地球会否因引力的压迫而崩溃?换句话说,地球的自重会否将它压扁得像一颗乒乓球吗?

这个想法初听起来颇为荒诞,但它实际上触发了一系列的探索,正是这些探索引领着我们走向了如今的科技时代。

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我们如今明白,地球之所以保持完整未塌,是因为它的质量并不算巨大。地球的引力不足以将地心最深处的原子压垮。

太阳系中心的核聚变之谜

那么,太阳系中质量最庞大的天体太阳,它的情况又如何呢?

太阳的质量是地球的三十三万倍,而地球的质量已经高达六十万亿亿吨,虽然这样的质量在宇宙中并不罕见,但在我们的感知中,它已是天数般的庞大。正是在这样的巨大质量压迫下,太阳的核心中的氢原子被迫紧紧相靠,从而触发了核聚变反应。剧烈的核聚变使得太阳核心部分发生爆炸,爆炸所产生的向外膨胀力抵消了太阳的向内引力(重力),使得太阳维持在目前这个状态:一个巨大的火球!

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剧烈的核聚变使得太阳核心的温度高达两千万摄氏度,而太阳每秒钟因为核聚变反应会将四百三十万吨的质量转化为光与热,向宇宙释放。

尽管太阳的质量极其巨大,但它的物质并非无穷无尽。大约在五十亿年后,太阳的氢燃料将耗尽,无法维持当前的核聚变,太阳的重力会占据优势,导致太阳进一步收缩。

但这种收缩并非无限,因为在收缩过程中,由氢生成的氦将成为新的燃料。于是,新一轮的爆炸与收缩的平衡游戏再次上演。那时,由于氦比氢重得多,太阳核心的温度甚至可以高达一亿摄氏度,引发了更为剧烈的氦核聚变,这种强大的爆炸使得原本因为燃烧了五十亿年而质量变小的太阳,瞬间失控。太阳膨胀了!它从原来的大小扩大了一百倍。由于膨胀,太阳的外表面温度降低,颜色也从原来的白色变为红色,成为了“红巨星”。

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红巨星太阳的岁月

红巨星阶段的太阳,经过几百万年的演变,当氦核也燃烧殆尽时,它的结构变得更为复杂:外层主要由氢构成,中间夹杂着氦层,再往内则是碳球。此时的红巨星太阳如同进入了“更年期”,亮度和直径都变得不稳定。而在它的核心部分,逐渐形成了一颗“白矮星”。

随着红巨星太阳的不稳定,它最终会“爆发”,爆发的结果是将除了核心“白矮星”之外的所有外层物质都抛弃掉。太阳于是变成了一颗白矮星。

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白矮星主要由碳、氧、氖等元素构成。在它发光的同时,内部的碳和氧不断转变为铁元素。铁是一种“致命”元素,因为它非常稳定。如果要让铁发生核反应,消耗的能量会大于产生的能量。这意味着,依赖铁进行核反应以维持恒星寿命是不可能的。

当太阳内部不再有可以进行核聚变的物质时,重力的坍缩再次出现,在重力的作用下,自由移动的电子被束缚,无法再移动。然而,电子这种牺牲自由换取的结构使原子变得异常坚固,能有效抵抗重力的坍缩。这种现象称为电子简并。

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太阳的终结:黑矮星

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在物理界,电子简并所能支撑的最大质量仅为太阳的1.4倍,也即钱德拉塞卡极限。对白矮星阶段的太阳来说,它的质量早已远低于这个极限。换言之,电子简并能够支撑它的重量。

因此,太阳的终极命运将是黑矮星。

随着白矮星慢慢消耗掉所有的光和热,太阳的辉煌将不复存在,留下的将是一个漆黑而难以察觉的天体。据估计,太阳要变成黑矮星需要几百亿年的时间,而我们的宇宙至今只有138亿年。如果有人能够访问黑矮星,你可能会惊奇地发现,上面可能遍布着钻石。

中子星的传奇

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虽然太阳的故事可能就此告一段落,但宇宙的故事还远未结束。

如果晚期白矮星的质量超过钱德拉塞卡极限,电子简并压力将无法抗衡重力,电子被迫挤入原子核,与质子结合变为中子,于是形成了一颗中子星。

中子星由紧密排列的原子核构成,它的密度极高,1立方厘米的物质可能重达1亿吨甚至10亿吨。这意味着,一个高尔夫球大小的中子星的质量可能超过地球的三倍。

中子星是宇宙中仅次于黑洞的高密度天体。其巨大的质量产生的引力使得任何经过其附近的光线都必须以抛物线轨迹逃脱。目前已经在宇宙中发现了上千颗中子星,其中中国天眼FAST就发现了数十颗。

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黑洞:宇宙的起点

如果中子星的重力超过了中子简并压力的极限,那么中子将会无限塌缩。就像钱德拉塞卡极限一样,中子星也有一个压力上限,被称为奥本海默极限。据信,这个极限大约是太阳质量的1.5到3倍。这种无限塌缩的结构,便是黑洞。

巨大的重力将中子压至一个普朗克尺度的大小,在这里,密度、时空曲率、热量都趋于无限大,而体积则趋于零。这个点被称为奇点。据推测,在奇点处,时间和空间的概念消失,所有被吸入的东西都会转化为一种能量形态。

关于奇点的传说众多!有人推测它是通往平行宇宙的通道!M理论认为,我们的宇宙由11维构成(10维空间加1维时间),我们只能感受到4维,是因为其他7维被压缩在了普朗克尺度内。这意味着,奇点可能是一个11维的世界,它会是怎样的场景呢?

宇宙仿佛一条咬住自己尾巴的蛇。当它巨大无边时,它的尽头往往连接着微小无垠。我们无法揣测黑洞中心的奥秘,对奇点的理解也只能停留在理论层面。然而,这并不妨碍人类的想象,以及逐步逼近真相的努力!