宇宙中最穩定、堅固、完美物質

2020-09-03 風林木魚

在提及這個物質之前,讓我們回顧一下物質是怎樣產生的?答案是恆星,也就是說包括你我在內世間的所有物質都是由恆星爆發的星塵組成的,說我們是恆星的孩子一點不為過,為探究物質的起源,就不得不從恆星的誕生說起。

物質

恆星的誕生

根據著名的宇宙大爆炸學說,在宇宙大爆炸之初10秒後質子、電子、中子開始形成,再經過大約30萬年的冷卻隨著宇宙中的溫度與壓力逐漸變低,質子、中子、電子開始互相結合,形成了氫、氦、鋰等幾種輕元素,其中主要是氫,氫和氦的總量佔據了宇宙初始元素的98%。

各類輕元素聚集在一起形成星雲

大量的氫元素為宇宙中恆星的核聚變反應提供了足夠的燃料,這些氫元素在引力的作用下匯聚到一起形成星雲,當其積累到一定程度時重力也成倍增加形成高溫高壓的環境,最終使氫原子相撞產生連鎖核聚變,誕生宇宙中第一批恆星。

恆星的滅亡

恆星的存在處於一種脆弱的平衡,質量極大的熱等離子體被引力向著內部核心所牽引,該引力是如此強大將物質(氫原子)擠壓在一起由此產生核聚變(核外電子擺脫原子核的束縛,使兩個原子核碰撞在一起發生聚合反應)。氫原子間結合成為氦原子,並釋放出反推力試圖逃離引力核心引力。只要這種平衡狀態還在,那麼恆星就將處於穩定狀態。

各類元素在恆星內部產生

而氫的數量終究會被消耗完,聚變過程中將產生重一些的元素氦,氦元素也在高溫高壓條件的促成下繼續反應(碳與氧)直至恆星內部產生了鐵元素,而這一元素的產生則徹底宣布了恆星的死亡。恆星會對其施加大量的能量(高溫高壓)想讓其產生聚變反應,不過其原子核對電子的吸引力強大到能穩穩抓住電子,無論如何都不會產生聚變反應,進而消耗恆星大量能量,加速恆星的死亡。死亡的過程也不盡相同,有的會發生超星星爆炸有的卻不會。

即將死亡膨脹的恆星

恆星滅亡的幾種產物

白矮星:如太陽般大小與質量的僅僅會形成紅巨星或者白矮星,不過其密度也十分驚人1000t/cm³,隨著時間流逝表面溫度也逐漸降低。

內部含高密度鑽石的白矮星

中子星:當一顆大概是太陽質量的1.4倍或以上的恆星死亡時,隨著越來越多金屬元素的產生,其將不能克服自身萬有引力繼續擠壓星核內部的金屬元素使其發生坍縮 發生進而產生大量能量的爆發,我們稱此過程為超星爆炸。最終形成中子星,我們之所以將之稱為中子星是因為強大的引力將其中的質子、電子、中子擠壓在一起正負電荷抵消,基本成為中子,其性質與中子十分相近。

高速旋轉帶強烈電磁場的中子星

黑洞:太陽質量的2.44倍或以上的將有可能形成黑洞,黑洞是在中子星的基礎上通過引力繼續壓縮,如果形成的中子之間的斥力不能抵抗引力那麼便將形成黑洞。所有進入其中的物質都轉換成了能量的基本形式,由於連光都無法逃脫被束縛在視界線內,我們很難知道其內部組成,僅能通過其吞噬其他物質所釋放出輻射進行有限層度的了解。

吞噬一切的黑洞

科學家認為白矮星內部含有大量自然界中最為堅固的鑽石、黑洞內的物質無法探測不為我們所知,那麼中子星內部呢?很可能是一種被稱為「奇異物質(奇夸克)」的東西。

奇異物質怎麼產生的?

從以上三類星體中不難看出,隨著引力的增加,似乎我們所認識的物理規律逐漸被打亂得越來越「離譜」,中子星內部的鑽石還在我們的理解範圍內,黑洞則是對其內部完全不能理解,那麼中子星呢,當原子核中質子與電子被擠壓在一起後不再帶電(我們都知道我們碰觸一個物體被反作用力排斥都是因為電子間斥力的產生),其物理規律會發生怎樣的變化?

中子星是除了黑洞以外密度最大的星體在其內部質子與中子組成了原子核,而組成質子與中子的卻是另外一種物質——夸克,夸克總是與其它夸克通過膠子連接,從未檢測到單獨存在的夸克,是組成其它粒子的原材料,夸克的種類有很多,但只有兩種能形成穩定的物質(質子與中子中),即上夸克與下夸克,其它的都將很快的發生衰變。不過在中子星這一極端環境下(高溫高壓,有人認為其與宇宙大爆炸之初的環境相同),也許不僅不會衰變還會使質子與中子之間解除禁閉在強大引力的作用下形成一個夸克的緻密海洋(質子與中子不復存在,當然其中物理規律也隨之改變)。

緻密的夸克海洋

奇異物質:

而在這緻密的夸克海洋中,如果壓力足夠大,有的夸克會變成奇夸克,也就是我們所說的奇異物質,因為其存在的條件過於苛刻,人類也沒有直接見過這種物質,不過根據物理推演能得出其一些物理性質,它擁有完美的密度、堅不可摧,是宇宙中最穩定的物質(物質的最完美形態,其可以穩定的存在於中子星內部就可看出)。

這時候你也許想到了鑽石(鑽石恆久遠,一顆永流傳),它誕生於高溫高壓的星體中隨著地殼活動與火山等地質活動的噴發到達地表。其堅硬層度(我們所觀察自然界中最堅硬的物質)使其可穩定存在於白矮星內部,而壓力更大的中子星內部則會產生一種全新的「鑽石」——奇異物質

不過相信我你不會想擁有它的,更不會想將其做成鑽戒送給你女朋友。雖然其能永流傳,甚至.......。

奇異物質的特性

由於其緻密與超級穩定的特性,它甚至能存在於中子星外,而當其與其他物體相接觸時,質子與中子也將會被其強大的緻密引力與穩定性分解為夸克,也就是融合為夸克海洋的一部分,而恐怖的是該過程將一直發生直至所有接觸到的物質都被融合。是不是有點像黑洞,將所有靠近其的物質吸收,不同的是奇異物質將其融合為夸克的海洋,而黑洞將其分解轉化為純能量(信息)的形式吸收(轉化得更加徹底)。

幸運的是由於其產生的條件甚微苛刻(高溫高壓),只有在宇宙大爆炸之初與中子星內部才能產生(所以研究中子星內部顯得尤為重要,也是在研究宇宙大爆炸之初宇宙的存在形式),不過別忘了中子星的數量如此之多保不準什麼時候兩顆中子星發生碰撞使其中的奇異物質飛濺出飄散於宇宙中。

中子星碰撞

而這些奇異物質一旦遇見任何物質,無論是恆星、行星還是其他任何物質,都會將其融合為夸克的海洋,例如地球與太陽會變成夸克星,其質量不會產生太大變化不過體積可是大大變小,而太陽也將不再產生核聚變(氫原子都被分解了),地球上的生物也將會被凍死。

奇異物質的猜想

了解了奇異物質是怎樣產生的以及其擁有的特性後,我們開始思考它的存在形式,我們已經見到了中子星中飄散出的各類重金屬元素,不過至今還未發現奇異物質,也許當其解除質子與中子的禁閉形成夸克的海洋後其存在形式再也不是我們平時所司空見慣的物質來看待了吧。

從以上對奇異物質的探究我們不難發現以下規律:

1、奇異的物理特性:包括宇宙大爆炸,似乎在越發極端的條件下(高溫、高壓)組成物質的基本粒子會被越發細分(質子與中子不再存在),表現出的物理規律也與我們平日所見不同,展現出更加穩定、包容、純粹,甚至變為最基本的能量。而奇異物質的誕生條件與宇宙大爆炸之初所的環境幾乎一模一樣,研究奇異物質對認識宇宙本源有巨大幫助。

2、形成宇宙的重要物質:恆星通過核聚變將原子結合起來,死亡後的爆炸將其內部Fe以上的較輕元素(因為Fe以下的重元素不會產生核聚變)釋放至宇宙中。而在其後新形成的中子星內部在大量富含中子的物質通過崩解和重組(需要在高溫、高壓下)產生新物質,而這幾乎是宇宙中所有重元素(如金、鈾、鉑等)的來源。而此時其中的重元素需要經過中子星的再次坍縮(爆炸形成黑洞)或中子星間的撞擊來釋放至宇宙中。即恆星的兩次坍縮釋放出了形成我們世界所有物質的元素。而這些元素又會慢慢聚集在一起變成星雲,在引力的作用下形成恆星與行星,也就是我們太陽系如今的模樣,開始新一輪的輪迴。所以我們都是恆星與中子星的產物。而中子星除了釋放重元素以外,所釋放的奇異物質一定也在形成我們今天世界或星繫結構起著決定性的作用,也是物質的一種,只是我們可能對該物質認識不足。

那麼黑洞坍縮會釋放出什麼奇異的物質呢?也許僅僅是能量吧,又或者就如宇宙大爆炸之前的奇點一般開創一個新的世界也未可知(有人說在黑洞的視界面處存儲了其接收到的所有信息,就如我們的世界或宇宙也是其投影的顯示,我們也就是黑洞中的洞主而已)。

3、可能是暗物質:以上我們已經知道恆星與中子星的坍縮爆炸為我們帶來了形成我們宇宙的幾乎所有物質,而如果奇異物質真的存在其一定也在形成宇宙的舞臺中扮演著重要角色。

由於其形成條件的特殊性(高溫、高壓)奇異物質被認為在宇宙大爆炸之初曾大量存在,甚至如今也是(數量非常多),而隨著時間流逝其吸收越多,質量越大,甚至其被認為是佔宇宙總質量六分之五的暗物質,而眾所周知暗物質對維持星繫結構起著至關重要的作用。可以說沒有暗物質的存在,今天我們的太陽系絕不會如此平靜,在地球形成生命的這幾億年大概率會被諸如流行之類的宇宙天體事件毀滅好多次。

奇異物質會是暗物質麼?

小生以前關於暗物質的文章中提到過暗物質的幾個特性

①不發出也不與電磁波發生作用:是不是很像中子星內部不帶電的中子之類的物質,可能不是中子而是中微子,也可能是奇異物質。

有質量:與奇異物質相同,而且累計起來質量相當大,越佔整個宇宙質量的六分之五。我們知道組成質子與中子的是夸克,在普通情況下其不能單獨存在。而在中子星內部強大的壓力下質子與中子可能被解除禁閉形成一個單單由夸克組成的緻密海洋,而夸克海的質量無疑是巨大的。

③壽命長:恰恰說明了其穩定性(與奇異物質相同)。

④不發光:奇異物質電子早已被中和,根本不存在電子獲得額外能量的情況,當然也不發光。

這些特性與奇異物質如此的相似使我們不得不思考其關聯性,當然也可能是中微子。

結語

形成我們世界的所有物質都來自於恆星的兩次爆炸,而我們在探索物質本源時用到的粒子對撞機也是在模擬高溫高壓的環境使粒子互相撞擊分解出更小的基本粒子。

①當科學家開始玩磁石與電線,也就是在把玩核外電子時,創造出了如今的光電文明。

②科學開始研究原子核間融合反應,也就是可控核聚變時,人類永久的解決了能源問題,其質能轉換效率達到1%,理想情況下可將宇宙飛船加速到光速的百分之10。

③科學開始研究基本粒子.......,也許到那時候人類已成為如今想像中的「神」了,改變物理規律,創造高維空間,科學與玄幻的界線越來越模糊。

科學的進步根本上來說是基礎物理的進步,而探索中遇到的難題不外乎是探究對象形成條件的苛刻與觀測實驗手段的局限性。而在高溫高壓的中子星內部形成的奇異物質正為我們提供了這一探測對象,質子與中子解除其禁閉形成的基本粒子(夸克),是人類理解宇宙誕生之初的關鍵信息,進而了解其形成與作用規律,而探索物質的本質將會使人類的文明等級大跨越的發展。

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