把整个宇宙压缩成一个核密度会有多大?
这个问题看起来很复杂,其实很简单,因为我们的宇宙中存在这样一种物质。只要知道宇宙的质量,就可以弹指一挥间就出来了。
原子是一个虚拟的胖子,从某种意义上说,地球的物质是松散的。众所周知,我们地球上的一切物体都是由原子构成的,而原子又是由原子核和核外电子构成的。根据现代研究,原子核占据了整个原子质量的99.96%,但它在原子中的体积却很小。有多小?原子核在原子的中心,被一个巨大的电子层包围着。
电子非常小。量子力学认为电子以电子云的形式围绕原子核运行,电子和原子核受到电磁力的约束。正常情况下,它们既不能远离原子核,也不能落在原子核上。但是,当电子获得相应的能量后,就会单独脱离核控制,使这个原子成为离子。
今天不讨论这个,只讨论原子大小与原子核的比例。原子的直径约为10-10 m,即10亿分之一米或0.1纳米;原子核的直径是10-15m,即百万分之一米或1毫微微米,是原子直径的万分之一。这样,原子核的体积大约是原子1000万亿的三分之一。可以认为,如果物质以原子核的形式存在,应该是我们这个世界能够理解物质的极限。这样,我们地球上所有的物质都是由原子组成的,只是这个原子处于被电子层包裹的虚空状态,所以所有的物质都是松散的。有没有办法把一种物质压实成致密的物质?
当然,但是这种力量在地球上是没有办法的。因为压碎一个原子需要极大的压力,只有太空中的巨大恒星才有这种压力。一颗质量相当于我们太阳的恒星没有这种能力。在演化后期,中央核聚变停止后,恒星质量的巨大引力压力只能将核心物质压成白矮星,即电子简并行星。
虽然构成白矮星的物质的原子发生了形变,一些电子被挤走成为自由电子,但它们仍然漂浮在原子核周围。原子核不是裸在一起,而是懒洋洋地漂浮在自由电子的海洋里。这种物质还没有达到原子核的密度,只能达到每立方厘米几吨的质量。
只有当更大的恒星或白矮星通过吸积达到一个质量阈值,即钱德拉塞卡极限,其电子简并压力无法支持这种状态时,它才会迅速坍缩成中子星。
中子星是电子和原子核挤压在一起,变成原子核密度的物质状态。这颗恒星的质量必须达到太阳的8倍以上。演化后期中心停止核聚变后,会把核心物质压缩成中子星。通过吸积,白矮星达到太阳质量的1.44倍,也就是钱德拉塞卡极限,它也会坍缩成中子星。
中子星的中心压力达到地球海平面10 28个大气压,是地球地心压力300万个大气压的3x10 21倍,即30万亿倍。是太阳中心3000亿个大气压的3x10 16倍,也就是3亿倍。
在如此强大的压力下,电子简并压被压碎,行星由中子简并压支撑。这时,所有的电子都被压缩到原子核中。因为电子带负电,质子带正电,电子被压缩到原子核中,和质子中和成中子,中子是不带电的粒子,这样整个星球就变成了由中子组成的物质,这种物质的密度和原子核相当。
到目前为止,物质虽然失去了我们所知道的118元素的属性,但仍然保持着可识别的形态。
泡利不相容原理是这种特殊密度物质存在的基础。白矮星的电子简并态和中子星的中子简并态都是根据泡利不相容原理存在的物质。泡利不相容原理认为费米子粒子是互斥的,就像一群在玩耍的孩子,他们都不愿意让同伴靠近,所以粒子之间会有一种压力,叫做量子简并压力。这种压力会抵抗巨大的重力压力,使物质保持一定的形状。
不同粒子的简并压力水平不同,所以电子简并压力和中子简并压力抵抗引力压力的能力相差甚远。当压力进一步增加时,物质会坍缩到更高级别的简并压力。中子简并压力的极限称为奥本海默·极限,即当一颗典型的不旋转中子星的质量达到2.06个太阳质量时,中子简并压力坍缩,无法支撑自身的引力压力,继续坍缩成黑洞。
但是非旋转中子星似乎并不存在,至少目前还没有发现,所以旋转中子星的奥本海默·极限并没有严格的限制,这可能与中子星的旋转速度有关。一般认为,旋转中子星《奥本海默》的极限在3到3.2个太阳质量之间。
理论上,黑洞不再是物理形态,所有物质都无限坍缩成中心的无穷小奇点。中子星是以原子核形式存在的物质。如果整个宇宙被压缩成核物质,那么它有多大?
首先要确定的是宇宙有多大。其实我们现在不知道宇宙有多大,因为宇宙有两个视界,我们观测不到。一个是过去视界,即BIGBANG在最近38万年对电磁波不透明,人类无法理解宇宙的这一部分;而且宇宙膨胀的整体叠加速度非常快,远远超过光速,所以有一个未来视界,就是在哈勃体积的远边缘,那里的星光永远也到不了我们这里,人类无法知道这个宇宙有多大。
现在科学界从理论上得出结论,宇宙的可观测半径约为465亿光年,我们只能计算出这部分宇宙有多大。如果把宇宙的这部分比作一个空原子,现在被压缩成原子核,那么直径缩小了654.38+百万倍,也就是半径为46.5万光年。
这种简单的算法似乎并不符合某些人的要求,因为他们想要的是电子在原子核内挤在一起的效果。
那么就需要用质量来计算。宇宙的质量有多大?其实宇宙的质量并没有确切的数据,只能估算。我们银河系的质量大约是2000亿个太阳质量,大约是4x10 41 kg。宇宙中大致有1万亿~10万亿个星系。如果按照1万亿个星系的平均值计算,质量大约是4x10^53kg.
中子星的密度与原子核相当,约为1亿~ 20亿吨/cm 3。我们现在按照中子星的密度计算,折中密度,按照1亿吨/立方厘米计算,可以得到宇宙的体积是4x10 41立方厘米,换算成平方公里就是4x10 26立方千米。
如果这些体积是一个球,那就是一个半径约为4.57亿公里的球。
两种算法的结果差别很大,因为一种是减少空隙来计算,一种是把所有物质浓缩压缩,结果当然完全不同。
如果宇宙是1亿个星系,宇宙的总质量是4x10^54kg千克,压缩中子星就是一个9.85亿千米的球。
但这只是宇宙中可见物质的质量。根据现代研究,宇宙中可见物质的质量只占4.9%,暗物质和暗能量占整个宇宙的95.1%,这样我们宇宙的质量增加了约19.2倍。如果我们也按照1万亿个星系计算,加上这部分质量,宇宙的总质量将是7.68 x 10 54 kg,这个球体的半径约为1.22亿公里。
这压缩不恐怖吗?一个半径为465亿光年的哈勃体积,被压缩成一个球体小于654.38+0亿公里的中子星。在太阳系中,木星到太阳的平均距离约为77800公里,土星到太阳的平均距离约为654.38+0.43亿公里。也就是说,这个被压缩的宇宙大约只是太阳系中木星的轨道。
距离我们不到1000光年的盾形星座uy,是一颗演化到最后的红色超巨星。这颗恒星的半径约为1.2亿公里,包含暗物质和暗能量的宇宙被压缩成一颗中子星,大小大致相当于盾牌星座uy。
当然,这种球不可能真的存在。这里只是个游戏,原因就不解释了。
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