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天体演化:黑洞修炼秘籍
 

天体演化:黑洞修炼秘籍

以下文章来源于老和山下的小学僧 ,作者老和山下的小学僧

老和山下的小学僧
老和山下的小学僧

科学普渡众生,此谓“科普”

授权转自公众号“老和山下的小学僧”



坐观君先说两句:今天的内容算是一个天体演化小科普。比如,恒星,行星,红巨星,白矮星,超新星,中子星,黑洞,白洞,虫洞,等等。以黑洞为由头,一股脑儿地给大家简单普及一下。对于有些朋友来说,可能会稍显简单。


黑洞,作为一个“科学无法解释”的科学现象,自然不会有很多明确的信息,一张黑洞照片,丝毫改变不了这样的窘境。所以,任凭你胡侃海吹,也不会有专家跳出来说“肯定不对”。


黑洞照片,就是把大伙的射电望远镜都对着一个方向接收电磁波,然后把可见光波段截取出来形成一个照片,对学术来说是很大的突破,但对公众来说,无论过程还是结果都无聊的很。


咱吃瓜群众要的是如何栩栩如生的吹牛,是吧?本僧带大伙从头走一个。


  • 大爆炸


姑且认为宇宙是大爆炸产生的。


很久很久以前,有个“奇怪的点”,简称“奇点”,突然爆炸了!炸出了一堆基本粒子,如质子、电子、光子、中微子等。


随后,物理定律开工干活,基本粒子纷纷相互结合,形成原子。


三四个质子结合,不如两两结合或单干更方便,所以宇宙中绝大部分原子是氢原子和氦原子,两者最终形成氢气和氦气。而氢原子更是只有一个质子,所以占了绝大部分中的大部分。


  • 气团


在万有引力作用下,弥散在宇宙中的氢气相互吸引,拉帮结派,逐渐成团。质量越大引力就越大,马太效应很快出现,大气团越吸越多,不断吞噬周边的氢气和小气团。


一顿混战,直至气团周边啥也不剩,江湖纷争告一段落,最后形成了一大团一大团的氢气团。


  • 恒星


这些气团纯粹靠引力聚在一起,而引力大小与质量、距离有关。


气团吞噬的氢气越多,质量就越大;质量越大,引力就越大;引力越大,气团体积就越被压缩;体积越压缩,氢气分子之间的距离就越近;距离越近,引力就越大。


于是,气团中心随着体积不断压缩,受到的压力越来越大,一直增加到能把两个氢原子核拧到一起为止。


也不知是谁定下的规定,两个氢原子核拧到一起就会释放出巨大的能量,人类称之“聚变反应”,这也是氢弹的原理。聚变发光又发热,发的光就是我们看到的光,发的热会使气体膨胀。


气团不断被压缩,参与聚变爆炸的原子就不断增多,膨胀的力量随之增大,直至与引力达成平衡,维持着气团的结构,不膨胀也不压缩。


这种靠不停爆炸维持平衡的气团,就是:恒星。


还有一些修炼入门失败的“准恒星”,引力刚好可以把中心少量的原子核拧到一起,但聚变反应不剧烈,不足以让整个星体燃烧,不像恒星那么耀眼。这种失败的恒星,就是:褐矮星。


还有更失败的,前期躲过了大气团吞噬幸存下来的小气团,引力拧不动原子核,不会发光发热,便成了:气态行星。


  • 红巨星


恒星依靠聚变爆炸与引力抗衡,注定是一场徒劳。因为恒星质量不变,引力就不变,但聚变却不断消耗能量。


又不知是谁定下的规定,铁以下的原子核拧到一起会释放能量,铁以上的原子核拧到一起要消耗能量。反之,铁以上的原子核分裂会释放能量,铁以下的原子核分裂要消耗能量。这就是“聚变”和“裂变”的概念。


所以,引力把氢(1个质子)拧成氦(2个质子),再往下拧成锂(3个质子)、碳(6个质子),一直拧到铁(26个质子)为止,再拧就是亏本买卖,不可持续了,因此这场较量,笑到最后的必然是引力。


而实际上,恒星根本没机会从容把氢拧成铁。拧氦比拧氢要费劲,当恒星内部的氢全被拧成了氦之后,中心压力还不足以拧得动氦,所以恒星就失去了聚变爆炸的威力,于是引力就继续压缩恒星体积,一直压到氦聚变出手为止。


不幸的是,氦聚变出手非常突然,瞬间释放的能量直接把引力掀翻在地,导致恒星快速膨胀,这货有个形象的名字:氦闪。


其实在恒星体积缩小时,外层的氢也会参与聚变,而内部的氦聚变开始后又特别剧烈,加上体积急剧变化,整个过程异常复杂!


这种火药桶似的天体,就是:红巨星。


 


  • 超新星爆炸


大块头的红巨星很少自然死亡,因为红巨星内部反应实在太太太复杂,聚变生成的各种新元素你来我往,原子核拧到后来很难与引力维持平衡!


有时high过了头,一言不合就掀桌子,这可是宇宙间最牛逼的爆炸,没有之一!


这就是大名鼎鼎的:超新星爆炸。



根据不知谁定下的规定,只要能量足够就能拧原子核,这种剧烈爆炸的局部能量非常非常巨大,可以拧出各种超过铁的大号原子核,甚至是铀这种92个质子的怪胎。


如果没有超新星爆炸,咱们可能就只有氢氦锂碳氧等寥寥几种元素了,能不能诞生生命都是两说的事情。


又不知是谁定下的规定,量子力学说,好不容易拧到一起的原子核,都有分裂的概率。原子核越大越容易分裂,其中铀(92个质子)以上的元素极易分裂,地球上几乎不存在,只有人造,统称“超铀元素”。


钋(84个质子)以上的元素分裂速度稍慢些,能量以射线的形式释放,就是我们熟知的“放射性元素”。


钋以下的元素分裂速度就非常慢了,慢到可以用宇宙时间来衡量,以地球的眼光看,当然就是稳定元素了。


所谓的元素,就是基本粒子在这场江湖纷争中的分分合合。


  • 行星


江湖在继续。


恒星通过超新星爆炸把这些年攒的家当全扔了出去,变成了弥散的宇宙尘埃,这些尘埃不像刚开始只有轻原子,而是含有各种轻重元素。


重元素可以结合形成固体,于是,江湖就不再是原来那个江湖了。


当然,一次超新星爆炸不足以产生足够的尘埃,此时用一将功成万骨枯来形容,再合适不过。


尘埃开始了新一轮的“拉帮结派”过程,因为可以形成固体,就不需要仅仅依靠引力聚在一起。换句话说,能以小块形式存在,所以,这些尘埃聚成了一颗颗小小的固体球。


这种很小很小的固体球,就是多数“行星”的来源。


  • 白矮星


大块头红巨星爆炸后或许还能剩下点内核,这种涅盘重生的内核往往修炼天赋极高,还有那些侥幸没爆炸的红巨星,晋级下一轮,继续修炼。


拧原子核是越到后来越费劲,恒星氦闪之后,内核把氦元素拧成了碳元素,偶尔还能拧出氧、氖或镁,通常到了这会,引力就不足以继续拧原子核了。


然后,依靠拧原子核的聚变威力与引力抗衡的时代一去不返,没有了聚变能量,引力又开始逞凶,继续压缩,一直压到“电子”有意见为止。电子也是有脾气的,聚变退休后,电子就扛起了与引力对抗的重担。


又不知是谁定下的规定,相同的电子是不能待一起的,这种压力叫“电子简并压”。但引力非要把电子摁到一起,于是简并压随着压缩不断增大,一直增大到与引力平衡为止,此时原子核已经被压缩的很致密了,密度达到10吨/立方厘米。


这就是:白矮星。

白矮星被压缩得与地球一般大


  • 中子星


小块头的白矮星没了聚变,若再没有外界的物质或能量输入,就逐渐冷却不再辐射,各种反应也停止了,变成一颗死星。


这是很多恒星的宿命:黑矮星。


不过,即便宇宙中第一颗恒星最终演化成了白矮星,到今天为止,仍没有彻底冷却变成死星,所以黑矮星只是个概念。宇宙,毕竟还是太年轻啊!


大块头的白矮星,引力实在太霸道,无视电子简并压,直接把电子摁到了原子核内,和质子一起形成中子,于是电子简并压就消失了。引力继续压缩,一直把电子都压进了原子核,成了中子。此时天体直径仅有10km大小,密度达到10亿吨/立方厘米,活脱脱一颗超超超大号的原子核,中子毫无缝隙的紧密挤压在一起。


这就是:中子星。


白矮星变成中子星的过程反应也是异常剧烈,通常,反应剧烈的天体动不动就超新星爆炸,有些中子星就是白矮星炸完形成的。顺便说一句,有时候天体还会相撞,这种程度的撞击,妥妥的超新星爆炸。

中子星撞上白矮星发生的超新星爆炸


因为天体在尘埃汇聚过程中都保留了原先的角动量,几乎都是旋转的,中子星自然不例外。根据角动量守恒,中子星变小后转的很快,有些中子星的磁轴和自转轴不重合,就好比磁铁的N极和S极位置不停变化,就会发出非常有规律的电磁脉冲信号。因为太有规律,曾经一度被认为是外星人的信号。


这就是:脉冲星。

这是示意图,别当真.


  • 黑洞


小块头的中子星,又是发热又是发信号,逐渐把能量折腾完,最终的宿命还是“黑矮星”。


大块头的中子星,引力还有余力继续压缩,最后的最后,把理论上无法压缩的中子压缩成了一个“奇点”,终于修炼到了巅峰,成了广为人知的“黑洞”!



黑洞与引力


很多人拿黑洞吹牛,多是因为黑洞能吞噬一切,霸气的很!可人人这么吹,就失去了吹牛的本意,怎样才能吹个别出心裁的牛呢?


黑洞的诡异之处在于,小而无内的基本粒子居然再度被压缩了,就好像一辆塞爆的公交车又挤上去100人。


我们不经要问,粒子是什么?空间又是什么?虽然量子场论对粒子已经有了一个勉强的解释,但相对论对空间给出的答卷就有些不够用了。


相对论认为,质量会引起空间的弯曲,从而导致直线跑路的光线发生弯曲。比如,光在空气中的速度比真空中慢,是因为空气分子的质量造成了空间弯曲,光线经过原子核周围时,路程就多了少许,宏观上看是速度变慢了,实际上是光的路程变长了,光速永远是那个光速。


按照这个道理,黑洞质量如此之大,大到让空间极度弯曲,形成了一个空间闭环,啥东西也出不来,包括光。不过,霍金提出了霍金辐射,认为黑洞还是有东西会跑出来的,但一直未被证实,所以这事暂且不算。


引力波的提出和发现,才是让人头疼的事情。引力原来和电磁波一样,也是波,也是按照光速对外传播的。


于是,一个铁打的事实就摆在了眼前:黑洞无论多么抠门,无论把空间封闭成什么样,丝毫不影响引力对外传播。进一步说,以目前人类的认知,没有任何东西能影响引力的传播。


这让人不得不怀疑,引力会不会是在更高维度传播的?以至于可以无视我们三维世界的任何事情。


难怪物理学折腾四大基本力这么多年,唯独引力无法统一。也难怪咱们山上老僧如此感慨:“引力,可能是人类解开空间密码的唯一钥匙。”(注意,这句就是吹牛的重点。)


白洞和虫洞


黑洞、白洞、虫洞,三大吹牛好素材,另外两位也不能缺席。


白洞纯粹是数学公式上拍脑袋的产物。把黑洞数学模型的某个取值改了改,结果黑洞从“只进不出”变成了“只出不进”,然后就提出了白洞的概念。


白洞不但在观测上毫无依据,在理论上也难自圆其说。哪天找到了玉皇大帝,也不见得能找到白洞。如果白洞有照片的话,可能是这个样子:

虫洞的概念就靠谱多了。广义相对论认为空间是可以弯曲的,引力足够大就可以把空间对折起来,如果有只虫子,从对折的空间中咬出一个洞,就可以实现空间跳跃,于是就给取了个“虫洞”的名字。


这图是把三维空间比作了二维平面,所有的物理定律都是沿着平面走的,跳出这个平面,就相当于进入了四维以上的空间。理解空间弯曲和虫洞的概念,千万不要用脑子去想象画面,人脑是无法形成多维空间图像的。

 

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