一,宇宙在宏觀和微觀上確實有空隙
的確,宇宙雖然非常廣大,但絕大部分空間是「空的」,星球、星系、星雲和塵埃雜質所佔宇宙空間比例很小,小的幾乎可以忽略。如果把所有物質轉換為氫原子,那宇宙的物質粒子密度大約每立方米只有一個氫原子。這還只是宇宙中宏觀物質之間的空隙,那微觀上每個原子內部又是什麼情況呢?
我們知道原子由原子核與核外電子組成,現代科學已經探明,由質子和中子組成的原子核體積只佔整個原子的幾千億分之一,
核外電子在這「無比巨大」的空間中運動,而核外電子的半徑不大於10^-22米,與質子、中子相比完全可以忽略不計。因此如果把原子空間都壓縮掉,只剩下原子核和電子,那全宇宙的實體物質又會縮小几千億倍。
二,這種電子和原子核緊挨在一起的狀態在宇宙中是存在的,就是我們常說的中子星。
所謂中子星就是全部都是由中子緊挨著組成的星體,是將核外電子壓進原子核中的質子後,原子核全部變成中子後形成的。中子星的密度大得驚人,為10^11千克/立方釐米,即每立方釐米1億噸,相當於一個花生米大小的物質重達1億噸。
但是如果想把電子壓進質子,然後把全是中子的原子核緊緊挨在一起需要很大的力量,形成這種狀態或類似的狀態需要特定條件。就目前人類的認識,這種狀態是大質量恆星的最終演化產物,可以說原子收縮的過程就是相應質量的恆星演化的過程,下面我們簡單作一介紹。
三,不同質量恆星演化的結果也是不同的
據科學研究表明,1.44倍以下太陽質量(錢德拉塞卡極限)的恆星在內部所有核聚變結束後,因失去抵抗恆星自身質量產生的強大引力的能力,恆星會在自身引力的作用下急劇收縮,原子中的核外電子克服泡利不相容原理帶來的壓力,擺脫原子核束縛,游離在原子核周圍,原子空間被大大壓縮,但這時的電子還並沒有壓進質子中,由這種狀態形成的星體叫白矮星,它的密度為每立方釐米1噸。
質量在1.44倍――3.2倍太陽質量(奧本海默極限)的恆星在演化末期,自身強大的引力會進一步克服電子簡併壓,把電子壓進質子形成中子,最終形成中子星。這種狀態就是題目所說的狀態。當然大於3.2倍以上太陽質量的恆星會克服中子簡併壓,最終形成黑洞或夸克星。
由於黑洞和白矮星與本題無關,我們只做簡單介紹,在此不多作討論,我們只討論中子星的狀態。
四,對本題的回答
現在知道了中子星的密度(就是將來把原子核和電子緊挨在一起、不留空隙的密度)ρ=10^11千克/立方釐米,如果再知道宇宙的質量M,根據公式ρ=M/V,就可求出全宇宙所有原子的原子核和電子緊挨在一起、不留空隙的組合起來的體積V了。現在的問題是密度知道了,但真正宇宙的質量無法確定,目前我們只大體知道可觀測宇宙的質量為10^54千克數量級,因此我們只能拿可觀測宇宙來計算,取M為10^54千克,代入Ⅴ=M/ρ,即V=10^54/10^11=10^43立方釐米=10^37立方米。轉換為球體,則V=4πr/3,算出半徑r=1336731471公裡≈13.4億公裡,這個距離還不如太陽到土星的平均距離14.3億公裡遠。
當然,正如上面所說,超過3.2倍太陽質量的恆星是不會成為中子星的,因此全可觀測宇宙物質的原子核不會老老實實湊在一起,它們會繼續坍縮,最終可能成為黑洞。這個黑洞的視界可以通過史瓦西半徑公式Rs=2GM/C求得,其中G為萬有引力常數,大小為6.67x10^-11牛·米/千克,M這裡為宇宙總質量,C為光速,可求得Rs=1570億光年。可以看出,如果把整個可觀測宇宙看成一個黑洞,黑洞的史瓦西半徑還大於宇宙成為中子星狀態的半徑,也大於現在可觀測宇宙的半徑(465億光年),難怪有人說宇宙就是一個超級黑洞,
就像別的黑洞一樣,連光也逃不出去,光速成為物體運動最高速,而人類就居住在黑洞裡,竟然都活得好好的。哈哈,你們相信嗎?
當然這也很像宇宙誕生的逆過程,它最終也有可能會收縮為一個奇點回到宇宙誕生前的狀態。這時就沒有什麼黑洞視界了,整個宇宙收縮為一點了。