白矮星与中子星的奥秘

每当提到量子物理学，人们很容易联想到微观粒子世界的奥秘。太阳的五颜六色的光谱线一个接一个地留下量子能级跃迁的痕迹。波和粒子交替的二元世界，中子干涉条纹呈圆形，留下水波般的波纹。在模糊科学哲学的不确定领域中，从一个方向移动到另一个方向的波包在某个时间类似粒子，在另一个时间类似波动。微观世界的所有这些秘密让爱因斯坦一生都感到惊奇和困惑:“上帝在玩骰子吗？”。

自20世纪以来，量子力学和相对论已经成为现代物理学的两大支柱。不可预测的微观世界在科学的控制之下。分子生物学、纳米材料、计算机芯片和高能宇宙射线都包含在可知的科学知识体系中。然而，每当一个人仰望天空时，似乎量子宇宙物体总是看不见的。事实上，这是对量子概念的一种过于神秘的偏见。

广义地说，在宏观世界中，牛顿力学是描述一切事物运动的基本定律。在微观世界中，量子力学是一切事物的基础。在高速高能环境中，爱因斯坦的相对论是理论指针。那么，在浩瀚的宇宙中，什么力学主宰着世界？是否也存在由量子效应主导的天体现象？答案是肯定的，恒星演化结束后留下的中心物体，如白矮星和中子星，是量子物理控制宇宙的例子。

量子效应引起的力无处不在。然而，在宏观条件下，它的挥发性远远小于粒子，所以量子效应可以忽略。然而，在某些特定的宇宙环境中，物质的挥发性大于粒子。电子和中子的微小粒子甚至支撑着宇宙中随处可见的致密恒星，致密恒星包括白矮星、中子星和黑洞。对于后者，爱因斯坦的广义相对论还没有被成功量子化，所以仍然不可能预测黑洞内部的物质结构。尽管每个粒子的量子涨落压力很小，但大量粒子聚集在一起时，可以形成一种支撑力来维持致密恒星的平衡。如果我们分析白矮星和中子星的结构，我们就会知道它们的“五脏六腑”的量子力学工作原理。前者是太阳大小的恒星的最终产物，而后者是大质量恒星(超过8个太阳)的产物。

为了理解量子过程是如何在宇宙环境中展开的，我将从太阳开始，它是地球上最近的恒星。

太阳的质量是地球的33万倍。如此巨大的物质产生的引力场极其强大。人类在太阳表面的重量是地球的30倍。然而，为什么太阳没有塌下来？每一天都将持续稳定地上升和下降，为我们提供稳定的光和热，直到50亿年后我们的命运终结。然后，人们不禁要问，是什么力量支撑着太阳的恒星结构？科学家发现，太阳内部的温度高达1500万度，远远高于5500度的表面温度。太阳富含氢，通过核反应释放出巨大的能量。太阳中心的高温会产生极高的压力，从而维持太阳的结构平衡并抵抗重力崩塌。

然后，50亿年后，当太阳的氢元素被完全燃烧，转化为氦原子，并进一步转化为更重的元素，耗尽所有的能量，太阳最终坍缩成白矮星，质量约为0.6太阳质量，半径只有地球大小。换句话说，太阳最终几乎收缩到地球的大小，其密度是不可想象的。例如，一个乒乓球大小的白矮星相当于100吨的重量！那么，是什么力量支撑着白矮星？

量子简并压力与白矮星

白矮星的内部核能已经耗尽。什么力量支持白矮星的稳定？首先，白矮星表面的重力大约是地球表面的30万倍。在如此巨大的压力下，原子被压碎，电子将脱离原子核，成为*移动的电子。可以想象，整个白矮星就像一个大原子，*电子气体将占据每个能量状态，这是电子作为费米粒子遵守泡利不相容原理。我们称这种状态为“电子简并状态”。每个电子互相排斥。它们占据不同的能量状态并产生巨大的排斥压力。这种电子简并压力对抗白矮星的强大引力，支持白矮星的结构稳定性。尽管每个电子的贡献都很小，但1057个电子是如此巨大的天文数字，以至于它们一起抵制了白矮星的崩溃。

然而，当恒星的质量比太阳的质量大得多时，例如9颗有太阳质量的恒星，如果演化出来的白矮星的质量大到1.44太阳质量，电子简并压力就不能抵抗白矮星本身的重力收缩。这时，白矮星将坍缩成一颗密度更大的恒星，一颗完全由中子组成的恒星，称为中子星。这个最大质量为1.44的太阳质量是由美国天体物理学家钱德拉塞卡发现的，他以他的名字命名了这个质量极限。他获得了1983年诺贝尔物理学奖。

量子简并压力与中子星

当电子简并压力不足以支持白矮星的引力场，并且其质量超过钱德拉塞卡极限时，该星坍缩形成中子星。这时，电子被压入原子核，与质子结合形成中子。类似于电子简并，中子也是费米粒子，其简并压力可以支持中子星的进一步坍缩。用这种方式想象和描述中子星是合理的。中子星中的所有中子都像一个大原子核。中子的量子排斥力抵抗恒星的重力，防止恒星坍塌。然而，中子星的质量也有上限。当这个值达到3.2太阳质量时，中子星将不再稳定，并将继续坍缩成黑洞。

因此，宇宙中恒星的最终命运掌握在量子力学手中。虽然电子和中子都很小很弱，但是大量粒子结合在一起可以抵抗致密恒星的坍缩。可以想象中子星的半径只有10公里，大约是白矮星的千分之一，也就是北京四环路的范围。然而，有一个太阳质量堆积，它的引力场强度是地球的3000亿倍，所以任何原子都会在其表面被压碎。

白矮星和中子星的特征半径分别是10，000公里和10公里，那么为什么白矮星的半径比中子星大1000倍呢？这就是量子压力的奥秘！由于量子力学的不确定性原理，粒子的动量和空间范围存在不确定性，即粒子的动量和空间大小的乘积需要近似恒定，即普朗克常数。然而，粒子的动量与其质量成正比，因此简并恒星的空间范围(半径)与粒子的质量成反比。中子的质量是电子的1800倍，因此中子星的半径比白矮星小近1800倍。虽然宇宙是巨大的，但其致密恒星的基本形式非常相似，即有一个宇宙法则、量子法则和相对论法则，支配并创造了这种形式的天体。