物理学允许“雷神之锤”来自中子星吗?

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中子星,顾名思义,它是一颗由中子组成的星球,其物质通过强烈的引力结合在一起,质量大约与我们的太阳类似。这里就有个问题,中子不应该存在很长的时间,因为它会衰变!现在我们选择一些任何的粒子,然后将其隔离开来,观察会发生什么?质子、中子和电子这三种粒子构成了我们所知的大多数普通物质,但它们的结果却大不相同。

物理学中最有趣、最神奇的实验往往不具有可操作性,有很多的实验只能在头脑里进行,我们称之为:思想实验。尽管我们在现实中受到了很多的限制,无法对宇宙中任何物体进行细致入微的研究、解剖和探查,但我们对物质以各种形式的存在,及其规律的理解远超于目前的实验水平。

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例如,我们在理论上知道中子星的形成过程,也知道它的一些性质!现在的问题是:如果我们取一颗中子星(假设是一立方厘米)的一部分,然后把它拉离中子星,会发生什么?虽然我们无法这样做,但理论应该会告诉我们结果。

中子星到底是什么?

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中子星,顾名思义,它是一颗由中子组成的星球,其物质通过强烈的引力结合在一起,质量大约与我们的太阳类似。这里就有个问题,中子不应该存在很长的时间,因为它会衰变!现在我们选择一些任何的粒子,然后将其隔离开来,观察会发生什么?质子、中子和电子这三种粒子构成了我们所知的大多数普通物质,但它们的结果却大不相同。

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如果上图中的质子和中子直径为10厘米,那么夸克和电子的尺寸将小于0.1毫米,整个原子的直径约为10千米。

电子属于不可分的基本粒子,是带电荷的质量最轻的粒子。据我们所知,电子完全稳定,没有可能的衰变的途径。

质子是由夸克和胶子组成的复合粒子。理论(大统一理论)上讲,质子可能会衰变,所以我们一直在寻找其衰变的证据。方法其实很简单:建造一个装满单个质子的巨型容器,里面有10^32个质子,然后等上一年,看看其中是否有一个质子会衰变,如果没有,其半衰期至少是10^32年。经过无数次这样的实验,并没有发现衰变的结果,因此我们现在已经确定,如果质子真的不稳定,它的半衰期至少是10^35年(科学家根据实验和理论将质子半衰期限制在这个时间内),或者是现在宇宙年龄的10^25倍。因此据我们所知,质子也是完全稳定的。

但中子不是这样!观察一个自由的,没有束缚的中子,它很可能在15分钟内消失,衰变为质子,电子和反中微子。(它的半衰期更短:大约10分钟。)

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那么,怎么可能有一个像中子星这样的实体呢?

自由中子和束缚中子之间是有区别的,这也是为什么许多元素和同位素不会衰变的原因:当原子核结合在一起时,原子核里有一定量的结合能足够保持中子的稳定!

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对于元素来说,某些原子核的构型比其他的更稳定。目前据我们所知,有超过254种可能的原子核构型是完全稳定的,应该不会经历放射性衰变。(但也许在足够长的时间尺度上,其中很多也会变得不稳定,只是我们还没有观察到而已。)但是稳定的原子核没有一个是很重的,或者由很多的中子组成。最重的稳定元素是什么?那是铅,82号元素,有四种已知的稳定同位素:Pb-204、Pb-206、Pb-207和Pb-208。

在所有已知的元素中,有82个质子和126个中子的原子核是最重的稳定原子核。

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但以上是假设核力是把中子绑在了一起,才不会衰变。就中子星而言,还有别的东西在起作用。为了理解其发生了什么,让我们再来看看中子星是如何产生的。

质量最大的恒星中(轻星团中最亮、最蓝的恒星)它们的核心将氢聚变成氦,所有的恒心都会经历这个过程。然而,与类太阳恒星不同的是,它们不需要数十亿年的时间来消耗它们的燃料,而只需几百万年(甚至更少)的时间其氢燃料就会耗尽,因为大质量恒星内部极高的温度和密度导致了非常迅速的聚变反应。

当它们的核心耗尽氢燃料时,内部开始收缩,导致温度升高。当它达到一定的临界温度时,核心中的氦开始聚变成碳,导致更大的能量释放率。

仅仅几千年后,氦燃料就会耗尽,内部会进一步坍塌,温度升高到太阳核心永远无法达到的温度。在这种极端的条件下,核心的碳开始聚变成氧,然后在类似的连续反应中,氧聚变成硅和硫,硅聚变成铁,接下来,就出现问题了。

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上图可以看到:铁是最稳定的元素。它的原子核中有26个质子和30个中子,每核子的结合能最高,这意味着任何其他的构型都不如它稳定。因此比铁更重的元素,并不通过将铁和其他元素融合形成的。相反,当核心充满铁时,不再有燃料可以燃烧,核心开始因引力而收缩。随着时间的推移核心变得越来越热,密度越来越大。

最后,达到了一个阈值,电子和质子开始融合在一起,产生中子、中微子和巨大的能量!

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这种失控的反应产生的能量如此之大,导致了整个恒星的外层在超新星爆发中被摧毁,而电子和质子融合成中子和中微子只需要几秒钟的时间。超新星爆发后,虽然外层需要几周到几个月的时间才能被吹走,但核心在巨大的影响下凝结成一个中子球,这种影响不是来自核力,而是来自重力。中子星的核心大约相当于一个太阳质量,被压缩成半径只有几公里的体积。它的密度约为每立方米10^19千克,是宇宙中已知的密度最大的物理三维物体。

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为了使中子在放射性衰变中保持稳定,它需要有比中子和质子的质量差更大的结合能,大约是1mev,大约是中子质量的0.1%。虽然核心的中子很容易被束缚,但表面的中子是最脆弱的。我们假设一颗中子星质量等于太阳质量,半径只有3公里,一个被束缚在其表面的中子,其结合能约为400兆伏,足以防止其衰变。

如果我们从中子星中取出一立方厘米的物质会怎样?我们会得到什么呢?取出中子星物质,引力结合会大大减小,这远远不足以阻止中子衰变!实际上,我们在宇宙中也遇到了类似的情况:中子星中子星相撞。当大部分物质可能合并形成黑洞时,约有3%的质量被抛出。这些被抛出的碎片并没有产生任何奇异的物质,它们会以惊人的速度衰变,产生元素周期表中最那些最重的元素。如果你想知道地球上大部分像黄金这样的元素是从哪里来的,答案是:中子星的合并!

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因此,如果我们取出的中子星物质质量太小,它只会在短时间内碎裂并衰变为稳定(或长寿)的元素和元素周期表的同位素,其过程最多在一个中子寿命的时间尺度上,也可能在更短的时间尺度上。如果我们想获得足够大的质量来保持中子在表面的稳定呢?也就是说我们取出的物质稳定不衰变,它的半径应该在200米左右。半径200米的中子星物质与土星质量相当,但这是保持稳定所需要的下限。如果质量更小,中子球就会衰变。所以,电影里说:强大的雷神之锤是取自中子星的物质锻造的……,看看它的尺寸!

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物理学根本不允许这样这样的中子锤存在。因为它太小了,表面的引力结合能太小,只会发生灾难性地放射性衰变!

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