天體演化:黑洞修煉秘籍 | 老和山下的小學僧

一張黑洞照片,讓很多讀者紛紛來信詢問。無奈,翻出一篇上古時期發的青澀拙文,修繕一番,濫竽充個數。

黑洞,作為一個“科學無法解釋”的科學現象,自然不會有很多明確的信息,一張黑洞照片,絲毫改變不了這樣的窘境。所以,任憑你胡侃海吹,也不會有專家跳出來説“肯定不對”。

黑洞照片,就是把大夥的射電望遠鏡都對着一個方向接收電磁波,然後把可見光波段截取出來形成一個照片,對學術來説是很大的突破,但對公眾來説,無論過程還是結果都無聊的很。

咱吃瓜羣眾要的是如何栩栩如生的吹牛,是吧?本僧帶大夥從頭走一個。

  • 大爆炸

姑且認為宇宙是大爆炸產生的。

很久很久以前,有個“奇怪的點”,簡稱“奇點”,突然爆炸了!炸出了一堆基本粒子,如質子、電子、光子、中微子等。

隨後,物理定律開工幹活,基本粒子紛紛相互結合,形成原子。

三四個質子結合,不如兩兩結合或單幹更方便,所以宇宙中絕大部分原子是氫原子和氦原子,兩者最終形成氫氣和氦氣。而氫原子更是隻有一個質子,所以佔了絕大部分中的大部分。

  • 氣團

在萬有引力作用下,彌散在宇宙中的氫氣相互吸引,拉幫結派,逐漸成團。質量越大引力就越大,馬太效應很快出現,大氣團越吸越多,不斷吞噬周邊的氫氣和小氣團。

一頓混戰,直至氣團周邊啥也不剩,江湖紛爭告一段落,最後形成了一大團一大團的氫氣團。

  • 恆星

這些氣團純粹靠引力聚在一起,而引力大小與質量、距離有關。

氣團吞噬的氫氣越多,質量就越大;質量越大,引力就越大;引力越大,氣團體積就越被壓縮;體積越壓縮,氫氣分子之間的距離就越近;距離越近,引力就越大。

於是,氣團中心隨着體積不斷壓縮,受到的壓力越來越大,一直增加到能把兩個氫原子核擰到一起為止。

也不知是誰定下的規定,兩個氫原子核擰到一起就會釋放出巨大的能量,人類稱之“聚變反應”,這也是氫彈的原理。聚變發光又發熱,發的光就是我們看到的光,發的熱會使氣體膨脹。

氣團不斷被壓縮,參與聚變爆炸的原子就不斷增多,膨脹的力量隨之增大 直至與引力達成平衡,維持着氣團的結構,不膨脹也不壓縮。

這種靠不停爆炸維持平衡的氣團,就是:恆星

還有一些修煉入門失敗的“準恆星”,引力剛好可以把中心少量的原子核擰到一起,但聚變反應不劇烈,不足以讓整個星體燃燒,不像恆星那麼耀眼這種失敗的恆星,就是:褐矮星

還有更失敗的,前期躲過了大氣團吞噬倖存下來的小氣團,引力擰不動原子核,不會發光發熱,便成了:氣態行星

  • 紅巨星

恆星依靠聚變爆炸與引力抗衡,註定是一場徒勞。因為恆星質量不變,引力就不變,但聚變卻不斷消耗能量。

又不知是誰定下的規定,鐵以下的原子核擰到一起會釋放能量,鐵以上的原子核擰到一起要消耗能量。反之,鐵以上的原子核分裂會釋放能量,鐵以下的原子核分裂要消耗能量。這就是“聚變”和“裂變”的概念。

所以,引力把 氫(1個質子)擰成氦(2個質子),再往下擰成鋰(3個質子)、碳(6個質子),一直擰到鐵(26個質子)為止,再擰就是虧本買賣,不可持續了,因此 這場較量,笑到最後的必然是引力。

而實際上,恆星根本沒機會從容把氫擰成鐵。擰氦比擰氫要費勁,當恆星內部的氫全被擰成了氦之後,中心壓力還不足以擰得動氦,所以恆星就失去了聚變爆炸的威力,於是引力就繼續壓縮恆星體積,一直壓到氦聚變出手為止。

不幸的是,氦聚變出手非常突然,瞬間釋放的能量直接把引力掀翻在地,導致恆星快速膨脹,這貨有個形象的名字: 氦閃

其實在恆星體積縮小時,外層的氫也會參與聚變,而內部的氦聚變開始後又特別劇烈,加上體積急劇變化,整個過程異常複雜!

這種火藥桶似的天體,就是: 紅巨星

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  • 超新星爆炸

大塊頭的紅巨星很少自然死亡,因為紅巨星內部反應實在太太太複雜,聚變生成的各種新元素你來我往,原子核擰到後來很難與引力維持平衡

有時high過了頭,一言不合就掀桌子,這可是宇宙間最牛逼的爆炸,沒有之一!

這就是大名鼎鼎的: 超新星爆炸

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根據不知誰定下的規定,只要能量足夠就能擰原子核,這種劇烈爆炸的局部能量非常非常巨大,可以擰出各種超過鐵的大號原子核,甚至是鈾這種92個質子的怪胎。

如果沒有超新星爆炸,咱們可能就只有氫氦鋰碳氧等寥寥幾種元素了,能不能誕生生命都是兩説的事情。

又不知是誰定下的規定,量子力學説,好不容易擰到一起的原子核,都有分裂的概率。原子核越大越容易分裂,其中鈾(92個質子)以上的元素極易分裂,地球上幾乎不存在,只有人造,統稱“超鈾元素”。

釙(84個質子)以上的元素分裂速度稍慢些,能量以射線的形式釋放,就是我們熟知的“放射性元素”。

釙以下的元素分裂速度就非常慢了,慢到可以用宇宙時間來衡量,以地球的眼光看,當然就是穩定元素了

所謂的元素,就是基本粒子在這場江湖紛爭中的分分合合。

  • 行星

江湖在繼續。

恆星通過超新星爆炸把這些年攢的家當全扔出去, 變成了彌散的宇宙塵埃,這些塵埃不像剛開始只有輕原子,而是含有各種輕重元素。

重元素可以結合形成固體,於是,江湖就不再是原來那個江湖了。

當然,一次超新星爆炸不足以產生足夠的塵埃,此時用一將功成萬骨枯來形容,再合適不過。

塵埃開始了新一輪的“拉幫結派”過程,因為可以形成固體,就不需要僅僅依靠引力聚在一起。換句話説,能以小塊形式存在,所以,這些塵埃聚成了一顆顆小小的固體球。

這種很小很小的固體球,就是多數“ 行星”的來源。

  • 白矮星

大塊頭 紅巨星爆炸後或許還能剩下點內核,這種涅盤重生的內核往往修煉天賦極高,還有那些僥倖沒爆炸的紅巨星,晉級下一輪,繼續修煉。

擰原子核是越到後來越費勁,恆星氦閃之後,內核把氦元素擰成了碳元素,偶爾還能擰出氧、氖或鎂,通常到了這會,引力就不足以繼續擰原子核了。

然後,依靠擰原子核的聚變威力與引力抗衡的時代一去不返,沒有了聚變能量,引力又開始逞兇,繼續壓縮,一直壓到“電子”有意見為止。電子也是有脾氣的,聚變退休後,電子就扛起了與引力對抗的重擔。

又不知是誰定下的規定,相同的電子是不能待一起的,這種壓力叫“電子簡併壓”。但引力非要把電子摁到一起,於是簡併壓隨着壓縮不斷增大,一直增大到與引力平衡為止,此時原子核已經被壓縮的很緻密了,密度達到10噸/立方厘米。

這就是: 白矮星

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白矮星被壓縮得與地球一般大

  • 中子星

小塊頭的白矮星沒了聚變,若再沒有外界的物質或能量輸入,就逐漸冷卻不再輻射,各種反應也停止了,變成一顆死星。

這是很多恆星的宿命:黑矮星

不過,即便宇宙中第一顆恆星最終演化成了白矮星,到今天為止,仍沒有徹底冷卻變成死星,所以黑矮星只是個概念。宇宙,畢竟還是太年輕啊!

大塊頭的白矮星,引力實在太霸道,無視電子簡併壓,直接把電子摁到了原子核內,和質子一起形成中子,於是電子簡併壓就消失了。引力繼續壓縮,一直把電子都壓進了原子核,成了中子。此時天體直徑僅有10km大小,密度達到10億噸/立方厘米,活脱脱一顆超超超大號的原子核,中子毫無縫隙的緊密擠壓在一起。

這就是:中子星

白矮星變成中子星的過程反應也是異常劇烈,通常,反應劇烈的天體動不動就超新星爆炸,有些中子星就是白矮星炸完形成的。順便説一句,有時候天體還會相撞,這種程度的撞擊,妥妥的超新星爆炸。

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中子星撞上白矮星發生的 超新星爆炸

因為天體在塵埃匯聚過程中都 保留了原先的角動量,幾乎都是旋轉的,中子星自然不例外。根據角動量守恆,中子星變小後轉的很快,有些中子星的磁軸和自轉軸不重合,就好比磁鐵的N極和S極位置不停變化,就會發出非常有規律的電磁脈衝信號。因為太有規律,曾經一度被認為是外星人的信號。

這就是: 脈衝星

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這是示意圖,別當真

  • 黑洞

小塊頭的中子星,又是發熱又是發信號,逐漸把能量折騰完,最終的宿命還是“黑矮星”。

大塊頭的中子星,引力還有餘力繼續壓縮, 最後的最後,把理論上無法壓縮的中子壓縮成了一個“奇點”,終於修煉到了巔峯,成了廣為人知的“黑洞”!

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黑洞與引力

很多人拿黑洞吹牛,多是因為黑洞能吞噬一切,霸氣的很!可人人這麼吹,就失去了吹牛的本意,怎樣才能吹個別出心裁的牛呢?

黑洞的詭異之處在於,小而無內的基本粒子居然再度被壓縮了,就好像一輛塞爆的公交車又擠上去100人。

我們不經要問,粒子是什麼?空間又是什麼?雖然量子場論對粒子已經有了一個勉強的解釋,但相對論對空間給出的答卷就有些不夠用了。

相對論認為,質量會引起空間的彎曲,從而導致直線跑路的光線發生彎曲。比如,光在空氣中的速度比真空中慢,是因為空氣分子的質量造成了空間彎曲,光線經過原子核周圍時,路程就多了少許,宏觀上看是速度變慢了,實際上是光的路程變長了,光速永遠是那個光速。

按照這個道理,黑洞質量如此之大,大到讓空間極度彎曲,形成了一個空間閉環,啥東西也出不來,包括光。不過,霍金提出了霍金輻射,認為黑洞還是有東西會跑出來的,但一直未被證實,所以這事暫且不算。

引力波的提出和發現,才是讓人頭疼的事情。引力原來和電磁波一樣,也是波,也是按照光速對外傳播的。

於是,一個鐵打的事實就擺在了眼前:黑洞無論多麼摳門,無論把空間封閉成什麼樣,絲毫不影響引力對外傳播。進一步説,以目前人類的認知,沒有任何東西能影響引力的傳播。

這讓人不得不懷疑,引力會不會是在更高維度傳播的?以至於可以無視我們三維世界的任何事情。

難怪物理學折騰四大基本力這麼多年,唯獨引力無法統一。也難怪咱們山上老僧如此感慨:“引力,可能是人類解開空間密碼的唯一鑰匙。”(注意,這句就是吹牛的重點。)

白洞和蟲洞

黑洞、白洞、蟲洞,三大吹牛好素材,另外兩位也不能缺席。

白洞純粹是數學公式上拍腦袋的產物。把黑洞數學模型的某個取值改了改,結果黑洞從“只進不出”變成了“只出不進”,然後就提出了白洞的概念。

白洞不但在觀測上毫無依據,在理論上也難自圓其説。哪天找到了玉皇大帝,也不見得能找到白洞。如果白洞有照片的話,可能是這個樣子:

蟲洞的概念就靠譜多了。廣義相對論認為空間是可以彎曲的,引力足夠大就可以把空間對摺起來,如果有隻蟲子,從對摺的空間中咬出一個洞,就可以實現空間跳躍,於是就給取了個“蟲洞”的名字。

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這圖是把三維空間比作了二維平面,所有的物理定律都是沿着平面走的,跳出這個平面,就相當於進入了四維以上的空間。理解空間彎曲和蟲洞的概念,千萬不要用腦子去想象畫面,人腦是無法形成多維空間圖像的。

老鐵

最後還有個小問題:當宇宙中所有元素都變成了鐵,咱還有能量來源嗎?

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