把整個宇宙壓縮成一個原子核密度,尺寸會有多大?

2020-12-11 時空通訊

有人異想天開,如果把宇宙所有原子的電子都壓縮到原子核一起,不留空隙會有多大?這實際上就是把宇宙壓縮成原子核密度。

這個問題看起來很複雜,但實際上很簡單,因為在我們宇宙已經有這樣的物質了,只要我們知道了宇宙的質量,掰一下指頭就出來了。

原子是一個虛胖子,某種意義上來說地球物質都是疏鬆的。

大家知道,我們地球上所有的物體都是由原子組成的,而原子是由原子核和核外電子組成的。現代研究認為,原子核佔有了整個原子99.96%的質量,但在原子裡佔有的體積卻很小。小到什麼程度呢?原子核在原子中心,被一個巨大的電子外殼包裹著。

電子很小,量子力學認為電子以電子云的方式圍繞著核子運行,電子與原子核之間是被電磁作用力約束,一般情況下,既無法離原子核遠去,也無法掉落到原子核上。但電子得到相應能量時才會個別脫離原子核控制,使這個原子成為離子。

我們今天不討論這個,只討論原子大小與原子核的比例。

原子的直徑約為10^-10m,就是100億分之一米或0.1納米;原子核的直徑為10^-15m,也就是千萬億分之一米或者1飛米,是原子直徑的10萬分之一。這樣原子核的體積就約原子的1000萬億分之一,可以認為,如果物質是以原子核的形式存在的話,應該是我們世界能夠認識物質的極限了。

這樣說來,我們地球上所有的物質是由一個個原子組成的,但這個原子是被電子外殼包裹著的虛空狀態,因此所有的物質都是疏鬆的。有沒有辦法將物質壓實成為密實的物質呢?

當然有,但這種力量在地球上是沒有辦法的。

因為要把一個原子壓碎需要極端的壓力,只有太空中巨大恆星才有這種壓力。我們太陽這樣質量的恆星是沒有這個能力的,它在演化後期,中心核聚變停止後,巨大的恆星質量引力壓只可以把核心物質壓成一個白矮星,也就是電子簡併態星球。

組成白矮星的物質雖然原子被壓變形了,部分電子被壓跑了成為自由電子,但依然漂浮在原子核的周圍,原子核並沒有赤裸裸的靠在一起,而是懶洋洋的漂浮在自由電子組成的海洋裡,這種物質就還沒有達到原子核的密度,只能達到每立方釐米約有數噸的質量。

只有更大的恆星或者白矮星通過吸積達到一個質量閾值,也就是錢德拉塞卡極限,其電子簡併壓就無法支撐這種狀態了,就會迅速坍縮成一個中子星。

中子星就是電子與原子核擠在了一起,成為原子核密度的物質狀態。

這種恆星質量必須達到太陽的8倍以上,演化後期中心停止核聚變後,會把核心物質壓縮成一個中子星;而白矮星通過吸積,質量達到太陽的1.44倍,就是錢德拉塞卡極限,就也會坍縮成一個中子星。

中子星的中心壓力達到10^28個地球海平面大氣壓,是地球地心壓力300萬個大氣壓的3x10^21倍,也就是30萬億億倍;是太陽中心3000億個大氣壓的3x10^16倍,也就是3億億倍。

在這樣強大的壓力下,電子簡併壓被壓垮,以中子簡併壓的形式支撐著星球不垮塌。這時候,電子全部被壓縮進了原子核裡面,由於電子是帶負電荷,質子帶正電荷,電子被壓縮進了原子核與質子中和成了中子,中子是不帶電荷的粒子,這樣整個星球就成為由中子組成的物質,這種物質的密度與原子核相當。

到此為止,雖然物質已經沒有我們認知的118種元素性質了,但物質還是以一個我們可認知的形態保持著。

泡利不相容原理是這種特殊密度物質存在的依據。

不管是白矮星的電子簡併態,還是中子星的中子簡併態,都是遵循泡利不相容原理而存在的物質。泡利不相容原理認為,費米子粒子都有相互排斥的特性,就像一群小孩子玩耍,相互都有不願意讓同伴靠近的性質,這樣粒子之間就會產生一種壓力,叫量子簡併壓。這種壓力會抵抗住巨大的引力壓,讓物質保持一定的形態。

不同粒子的簡併壓層次是不一樣的,電子簡併壓與中子簡併壓抵禦引力壓的能力就相差甚遠。當壓力進一步加大時,物質就會向更高一級簡併壓坍縮。中子簡併壓的極限叫奧本海默極限,就是一個典型不旋轉中子星質量達到2.06個太陽質量時,中子簡併壓就垮塌,無法支撐自身引力壓,繼續坍縮成一個黑洞。

但不旋轉的中子星似乎並不存在,至少迄今並沒有發現,因此對於一個旋轉的中子星奧本海默極限並沒有嚴格界限,這或許與中子星的旋轉速度有關。一般認為,旋轉的中子星奧本海默極限在3~3.2個太陽質量之間。

理論上黑洞已經不是物質形態了,所有物質無限坍縮到中心那個無限小的奇點裡。而中子星就是以原子核形態存在的物質。如果整個宇宙壓縮成原子核物質,那麼有多大呢?

首先要確定的是宇宙有多大。

事實上,我們現在並不知道宇宙到底有多大,因為宇宙有兩個視界我們無法進行觀測。一個是過去視界,就是宇宙大爆炸後38萬年間對電磁波是不透明的,人類無法了解這部分宇宙;還有宇宙膨脹整體疊加速度很快,遠超過光速,因此有一個未來視界,也就是在遙遠可觀測宇宙邊際,那裡的星光永遠也不會傳到我們這裡,人類也無法知曉這一塊宇宙有多大。

現在科學界從理論上得出宇宙的可觀測半徑大約有465億光年,我們只能夠來計算一下這部分宇宙有多大。如果把這部分宇宙比喻為一個虛空的原子,現在把它壓縮成一個原子核,那麼就是直徑縮小10萬倍,也就是半徑46.5萬光年。

這種簡單算法似乎不能滿足一些人的要求,因為它們要的是電子擠在原子核一起的效果。

那麼就需要按質量來計算,宇宙的質量有多大呢?

實際上,宇宙質量也沒有確切的數據,我們只能估算了一下。我們銀河系質量約2000億個太陽質量,這樣就約為4x10^41kg。宇宙中大致存在1萬億~10萬億個星系,如果按照平均1萬億個銀河系計算,質量約為4x10^53kg。

中子星的密度相當於原子核的密度,約1億~20億噸/cm^3。我們現在按照中子星密度來計算,將密度折中一下,按10億噸/cm^3來計算,可以得出宇宙體積為4x10^41cm^3,折合成立方公裡,就是4x10^26km^3。

如果這些體積是一個球,那就是約4.57億千米半徑的一個球。

兩種算法得出的結果天壤之別,這是因為一種是把虛空縮小來計算,另一種是把所有的物質集中起來壓縮計算,得出的結果當然完全不一樣。

如果宇宙是10億個星系,則宇宙總質量為4x10^54kg,壓縮成中子星就是一個9.85億千米的球。

但這只是宇宙可見物質的質量。現代研究認為,宇宙可見物質質量只佔4.9%,暗物質和暗能量佔有宇宙總量的95.1%,這樣我們的宇宙質量就加大了約19.2倍。如果還按照1萬億個星系計算,把這部分質量加進去,宇宙總質量就有7.68x10^54kg,這個球半徑就有約12.2億千米。

這種壓縮太恐怖了吧?

一個465億光年半徑的可觀測宇宙,壓縮成中子星只有不到10億千米的一個球。在太陽系,木星到太陽平均距離約7.78萬千米,土星到太陽平均距離約14.3億千米,也就是說,這個被壓縮的宇宙只有太陽系木星軌道左右大小。

而距離我們不到1萬光年的盾牌座uy,是一顆演化到末期的紅超巨星,這顆恆星的半徑就有約12億千米,把暗物質暗能量都算上的宇宙壓縮成中子星大致就是盾牌座uy這麼大了。

當然這種球是不可能真正存在的,這裡只是一個遊戲而已,原因就不解釋了。

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