大约三百多年前,伟大的科学家牛顿提出了一个革命性的理论——万有引力定律。这一定律不仅让牛顿名垂青史,也让我们明白了世间万物之间,皆有引力相连。引力的强度与物体的质量成正比,这便是它的神奇所在。
进一步的思索牵引着科学家们的好奇心:既然地球的质量如此庞大,它为何不会在自身的引力下崩溃塌陷,如同一个乒乓球般大小,或者更小呢?
看似荒谬的问题背后,却孕育着深入的探索。这个问题不断被研究,讨论,直至今日。
我们如今知道,地球之所以不会在自身引力下塌陷,正是因为它的质量并不足够大,不足以让地球深处的原子承受到足以压扁它们的力量。
那么,如果一个天体的质量远超地球,又会发生什么呢?比如,我们的太阳,它会不会在巨大引力的牵引下塌缩?
答案是肯定的。然而,这个答案远比它表面看起来复杂得多。事实上,包括太阳在内的所有恒星的形成,无一不是从星际云的逐渐塌陷开始的。在引力的巨大作用下,星际云中的物质被不断地拉扯,聚合,一步步向内部塌陷。
如果没有其他力量与引力形成抗衡,星际云便会永无止境地塌陷,恒星自然也就无从谈起。
但实际上,星际云的塌陷是有限度的。当塌陷到一定阶段,核心部分会在极高的温度与压力作用下触发一场至关重要的宇宙大事件——核聚变。核聚变的发生带来了巨大的向外推力,这股力量足以与强大的引力相抗衡,从而阻止了恒星物质的进一步塌缩。
太阳等恒星之所以能数百亿年来保持稳定,正是因为核聚变产生的外推力与万有引力之间保持着微妙的平衡。
以太阳为例,它的质量高达地球的33万倍,如此巨大的质量产生出巨大的引力,让太阳核心的氢原子承受着巨大的压力,触发了核聚变。太阳的核心温度可以达到1500万摄氏度,每秒钟消耗的氢的质量高达400万吨,转化为光和热。而这些核聚变产生的能量,也正是阻止太阳进一步引力坍缩的力量来源。
然而,随着时间的流逝,氢燃料的逐渐减少,核聚变与引力之间的微妙平衡开始被打破。太阳进入生命的晚期,核聚变的力量逐渐减弱,引力开始占据优势,太阳自身稳定的平衡被破坏,引力开始疯狂地拉扯着恒星物质向内坍缩,引发新一轮的爆炸和平衡,使得太阳核心的温度不断升高,甚至可以达到上亿度。
太阳的质量不断减小,已经无法维持原先的控制力,无法保持稳定的局面。剧烈的爆炸将太阳外层的物质不断地向外推移,此时的太阳已经不能再被称为恒星,而是转变成了一个巨大的红巨星。
红巨星阶段的太阳,体积膨胀得十分剧烈,大约是原本体积的1000倍,甚至可能将水星和金星等星球吞噬。
而太阳这颗红巨星最终只会留下一个密度极高的内核——白矮星,其大小仅相当于地球,外层的物质被抛洒到了浩渺的星际空间,留下了璀璨的光华。
太阳从红巨星演变为白矮星的过程并非一蹴而就,而是需要经过数亿年漫长的岁月。
白矮星虽仍然会发出微弱的光芒,但已无法照亮整个太阳系。它主要由碳、氧和氖元素构成。由于太阳的质量还不足以生成铁元素,所以不会步入更极端的命运。
对于恒星而言,铁元素是极为致命的。一旦恒星的核心开始聚变铁元素,就意味着这颗恒星生命的终结。
因为铁是自然界中最稳定的元素,在它之前的元素发生聚变时会释放能量,但铁以及其后的元素在聚变时却需要吸收能量。因此,依赖铁元素的核聚变来维持恒星的生命是完全不可能的。
当恒星的核心聚变到铁元素时,它的生命便走到了尽头。恒星死亡之后,自身的引力会完全占据上风,没有了核聚变与引力的对抗,引力会将恒星物质急剧地向内拉拽。
在自身重力的作用下,恒星的核心产生了足够的压力和温度,足以让铁元素继续发生聚变。如果恒星的质量足够大,那么它就能够抵抗强大的电子简并压,将电子挤压到原子核上,与质子结合形成中子,这样便诞生了中子星。
所谓电子简并压,源于泡利不相容原理——两个费米子不能处于同一量子态。当外力试图让它们处于同一状态时,费米子之间会展现出巨大的斥力,电子之间便是强大的电子简并压。
电子简并压非常强大,但只要恒星的质量足够大,它便能克服这种斥力,将电子压缩到原子核中。
科学计算表明,电子简并压最多能支撑质量大约为太阳质量1.4倍的天体,这个极限被称为“钱德拉塞卡极限”。值得注意的是,这里的质量指的是恒星演化为白矮星时的质量,而非恒星本身的质量。
当白矮星的质量超过钱德拉塞卡极限时,它便会继续向内坍缩,最终形成中子星。
如果中子星的质量足够大,超过中子简并压——一种比电子简并压更强大的力量,会发生什么呢?
研究表明,中子星的压力也有上限,被称为“奥本海默极限”,大约相当于太阳质量的3倍。当这个极限被突破时,中子简并压也无法阻止中子星的进一步向内坍缩,直到缩成一个无穷小的奇点,形成黑洞。
人类的认知始终是有限的,具体的,对于涉及无限的物理量往往难以理解,因为无限只是个抽象的概念。例如奇点,我们无法想象一个体积无穷小的奇点是如何存在的。
在奇点面前,人类所知的所有自然法则都失去了作用。我们只能通过黑洞奇点与周围物质的相互作用,来推测黑洞可能具有的特性。
有科学家大胆猜测,黑洞可能并不属于我们的世界,因为黑洞的奇点完全超越了四维时空的范畴,可能属于更高维度的空间,或者说是“超空间”。
这也是弦理论提出的观点,认为宇宙可能拥有多达11个维度,除了我们所在的四维时空,还有7个维度,它们卷曲在极小的普朗克尺度中。
世界的本质可能就是这样,巨大的事物往往与渺小的事物紧密相连。
我们常常会问:宇宙到底有多大?也许,在我们抵达宇宙的尽头时,会惊奇地发现,原来宇宙的边界就隐藏在那无穷小的普朗克尺度之中!
因此,许多科学家坚信,黑洞的奇点必定隐藏着宇宙的真相。