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比钢硬100亿倍,宇宙最硬物质是什么

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硬度是人类对材料的极致追求,因此在人类历史上,从石器时代到青铜时代,最后到铁器时代,变化的是材料的硬度。而后,人类又陆续发现金刚石、鲁珀特之泪等坚硬的物质。目前为止,人类发现的最硬的物质是碳炔。

碳炔结构

如果还不满足这些物质的硬度,那就将目光放向宇宙,寻找比地球的碳炔还硬的物质。这个时候我们会发现,地球这些物质的硬度全部都是弟弟。宇宙中的物质硬度都高得离谱,动辄得咎就是地球物质的上亿倍。想象一下这些东西撞击地球,地球能承受得起不?

这里面最硬的存在,是中子星的核意面。

中子星

中子星是宇宙中的天体名称,也是整个宇宙密度最大的星体,其平均密度为每立方厘米1亿吨以上。想象一下如果要把地球压缩到这个密度,那地球的直径只有可怜的22米。如此高密度的中子星,是怎么来的?

中子星是大质量恒星死亡后的墓碑,介于白矮星和黑洞之间,在它和黑洞之间还有一个概念星体夸克星。宇宙中没有什么物质是永恒的,即使是发光发热的恒星也有死亡的一天。以我们的太阳为例,它现在正值壮年时期,处在主序星时期,热量最稳定地持续输出,等再过约50亿年,太阳上面的氢核聚变反应完后,我们的太阳就会进入中老年。这个时候它的内部因为变成了氦而坍塌,最后变成红巨星,最后再变成一颗白矮星。

可是宇宙中还有质量远超过太阳的恒星,它们在主序星完成后,会因为内部的坍塌力量更大而形成红超巨星。因为坍塌实在太大,它会将自己外部的物质全部甩出来产生超新星爆炸。爆炸后,仅剩的大质量内核又会两种结局,一是变为黑洞,二是变为中子星。

一般来说,质量在8个太阳以上的恒星,会进入红超巨星到超新星爆炸形成中子星或者黑洞。因为内核还保留着原来的能量,它会以脉冲的方式发射出来,一些中子星会成为脉冲星。中子星的密度大,主要原因是母恒星的质量很大,坍塌后的内核体积比起曾经来说非常小,因此造成了一块方糖大小的中子星物质,质量达到一亿吨。

如此高的密度,自然就会产生宇宙最硬的物质。

地球最硬的物质

在远古时期,人类认为石头是最硬的物质,因此我们的祖先捡起地上的石头,砸向我们追逐的猎物。果然,被石头砸中的动物轻则头破血流,重则当场一命呜呼。在用石头砸猎物的时候,石头碰撞到了石头导致裂开,裂口边缘很锋利。

人类的祖先在搬运石头的时候不小心割伤了手,于是它们发现,石头经过撞击会出现断口,断口很锋利可以割裂皮肉。但是在制作这个工具的时候,需要找一块硬度更大的石头作为敲击体。这便是人类第一次在自然中比较硬度。

后来人类发展出了文明,学会了冶炼金属,得到了人类历史上的第一个金属制品——青铜器。人们发现无论什么东西,只要被青铜做成的刀剑劈砍,都会粉身碎骨。我们认为青铜是比岩石还硬的物质,因为可以用青铜做的凿子凿开山石修路。

而后,人们发现比青铜还要硬的物质——钢铁。战场上,钢铁的刀剑劈断了青铜剑,宣告新一任王者的到来。自此,人们认为,钢铁几乎是人类为自己寻找的最硬的材料。但很快人们才发现,非金属材料的潜力超乎想象。

目前地球上已知的最硬的物质是碳炔,这是一种碳原子以三价键的形式组成的碳链,其本质上是碳,但是因为内部的结构,造就了其超高的硬度。碳炔的硬度大约是钢铁的上百倍。碳给人的印象并不是坚硬的物质,相反它很柔软,还能燃烧取暖。但是不论是金刚石,还是后来的碳炔,都成为了地球上硬度数一数二的物质。

这是因为碳的“可塑性”非常高,能够形成各种化学键,这也是它能够成为我们生命的基础。我们自称碳基生命,就是我们的有机物是以碳原子为主链条,氢氧氮为添加物进行的组合。

也就是说,地球上最硬的物质,是碳原子组成的。那么中子星上面的物质,主要成分是什么呢?

中子

中子星顾名思义,主要由中子组成的星球。我们都知道原子由原子核与外围电子组成,而原子核又是质子和中子组成。中子是不带电且质量比起质子小很多的粒子,它第一次被发现是在著名的卢瑟福用原子轰击金箔的实验。

原本在一个原子里,质子、电子还有中子互相不会干涉,它们维持着这个原子的一切运动。但是,在中子星形成过程中,发生超新星爆炸,导致原子的质子和电子通通被甩出来。因为质子带正电而电子带负电,它们在宇宙中互相结合,这个结合的产物便是中子。再加上之前母恒星破裂的原子核里残留的中子,它们一起组成了中子星。

中子是组成原子的三大粒子之一,它不带电,但是特别容易进入原子核。如果用它轰击原子核,会引出核子反应,释放出巨大的能量,这便是人类研发的中子弹。四个中子会组成一个粒子,被称为“四中子”,又称“零号元素”。这种粒子不带电,与其他中子互为同位素。但是,目前这个“四中子”没有明确的理论证明,它的出现很像是一种偶然。

因为中子不带电,要它们结合起来,简直是天方夜谭,它们不会互相吸引,也不会相互排斥,就这样保持独立互不干涉。所以,四个中子组合成粒子,这几乎是不可能的。但是科学家们却认为,也许当年出现“四中子”是巧合,可如果是在情况非常复杂的太空,比如中子星上面,是有可能存在的。因为超新星大爆炸之后,原子的结构已经彻底被改变,我们不能用平常的原子理论去看待中子星上的情况。

中子星的内部有什么?

那么中子星上,会以怎样的形式构成密度极大的中子星呢?

核意面

核意面听起来很好吃,然而实际上它是一道“硬菜”,其硬度是钢铁的亿倍,这世上没有谁能咬得动这道意面。

中子星是宇宙中引力仅次于黑洞的存在,因此光可以从中子星四周逃逸,但是逃逸路线会发生弯曲。因此,我们是不可能登陆中子星的,巨大的引力会引发上面的一切有质量的物质发生坍塌。因此科学家们只能通过电脑模拟,得出一个模拟的中子星内部结构。计算机将模拟的中子星组成呈现在大家面前,大家都惊呆了!

由于中子星的引力巨大,因此越往中子星的内部走,它的结构就越像一个意大利面团。超新星爆炸的巨大压力,让中子和质子们聚集在一起,形成了类似球形的核,中子和质子是原子核的组成部分,因此又称核意面。

球形面团并非核意面的唯一结构,越靠内部压缩越强,质子没有足够的电斥力来维持球形,类球形核结构又被压成长长的条状的意大利面。压缩继续升级,原子核会变成薄片状的意大利面。

这些“意大利面”们组成了密度极大的中子星,也自然而然成为了全宇宙硬度最高的物质。这便是中子星呈现给全宇宙的一道极致硬核的菜肴!可这份“硬菜”有什么作用呢?仅仅用来“填饱”中子星的肚子吗?当然不是,有一部分中子星会发出脉冲波,被称为脉冲星。并不是每一颗中子星都是脉冲星,只有旋转周期很短的中子星才能产生脉冲。而决定这个周期的,就是这些“意大利面”。

天文学家们发现,脉冲星是因为中子星释放能量导致的,本质上脉冲星的旋转速度会比一般的中子星慢很多。然而经过研究发现,目前已知的脉冲星中,旋转周期就没有超过12秒的。这是因为,脉冲星的分布都不会很均匀,导致残留的电子和质子们在旋转过程中产生磁场。

如果任由这个磁场加强的话,脉冲星两极地区会产生电磁波,释放能量,减慢脉冲星的旋转速度。然而,核意面将质子和中子结合起来,使磁场减弱,这个时候虽然依旧发射电磁波,但是它保住了脉冲星大量的能量,继续维持高速旋转。

此外我们都知道,中子星的引力仅次于黑洞,如果不考虑概念星体夸克星,它是宇宙中的第二大引力。光可以从中子星周围逃逸,但是逃逸的路线会出现弯曲,这是因为中子星附近的空间是扭曲的。扭曲的原因除了引力过大,还有就是,核意面会让中子星的表面并不平整,出现高度仅几厘米的山峰。正是这仅仅一点点山峰,就足以让旋转的中子星周围的空间出现弯曲。而弯曲的空间里,中子星在不断地向外释放能量,这就形成了引力波。

双中子星合并的引力波模型

也就是说,核意面很有可能是引力波发生的条件之一。引力波是爱因斯坦广义相对论中预言的一种物质,现在已经被人类证明存在,它来自于高速旋转的双脉冲星。

研究“意面”的意义

那么这些“意大利面”对我们有什么意义呢?当然不是为了吃它,而是能够帮助我们实现星际穿越。

宇宙中有很多能量,但这其中有很多人类无法利用。核意面是人类通过电脑模拟出来的结构,而人类的实验中曾经偶然存在过“四中子”结构,这就意味着未来人类可以模拟中子星的环境,创造出核意面。中子星能量巨大,且没有黑洞危险,我们可以利用这一点为宇宙飞船实现能量供应。

此外,中子星周围扭曲的空间,是曲率加速器和虫洞科技的基础,未来能否接近光速,可以在这个方向上努力。

虫洞(想象图)

未来的探索

谁能想到宇宙中居然存在着“意大利面”结构的物质,而且这种物质还是全宇宙硬度最大的存在。宇宙拥有亿年的历史,亿光年的直径,人类探索的范围只是非常微小的一部分。当然,人类在宇宙中的前进范围不会仅限于如此。

如今人类的脚步还没有扩展到太阳系以外,甚至连我们自己的太阳系边界在哪里都还没有搞清,更不要说前往中子星,核意面似乎对我们还很遥远。可是我们不能因为现在还没有到达中子星就放弃研究,或许有一天核意面会和当年“四中子”结构一样偶然出现在人类的研究中。即便是惊鸿一瞥,也足以说明人类科技的伟大进步。




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