科技探索：從空氣壓縮到黑洞，真實的過程會和想象的不一樣嗎？
大家好！又跟大家見面了，歡迎收看本期的科學有話說，對我個人而言，科技探索不僅僅是一個重大的事件，還可能會改變我的人生。
黑洞就是一個密度無限大的天體，沒什麼特別的！
從表面上來理解這似乎沒有毛病，但仔細考慮一下您就會發現這其中存在很多秘密：比如物質是怎麼壓縮的，密度超大為什麼會坍縮成黑洞？有幾種型別的黑洞？又各有什麼特色？
一、物質壓縮的秘密
1.壓縮氣體
壓縮對於大家來說應該非常熟悉，比如我們經常用到壓縮和解壓縮軟體，其原理是將檔案的二進位制程式碼壓縮，比如將相鄰的0和1減少，比如用幾個0或者幾個1來代替，減少檔案的儲存空間！當然改變的僅僅是資料結構，而我們今天要討論的是物質的壓縮，各位應該很清楚，氣體是最容易被壓縮的，因為氣體分子間存在著大量的空隙，因此可以被壓縮，我們日常用到的壓縮氣罐就利用了氣體的可壓縮原理！
儲存了壓縮氣體的氣罐是一個危險品，內部的高壓氣體具有極高的能量，一旦意外破損造成的後果不亞於蒸汽罐破裂！當然這並不意味著氣體就可以無限壓縮，因為分子間距減少到一定距離的時候其斥力將會阻止壓縮排一步進行，此時，只有再增加做功，但大量效果的能量往往會抵消高壓縮所帶來的經濟效益，因此一般空壓機的氣罐壓力為0.7~0.8MPA，一個大氣壓為0.1MPA，因此我們一般用7-8公斤來表示空壓機的儲氣罐壓力！
2.固體物質壓縮
在我們日常生活經驗中，固體和液體並不能壓縮，因為分子間距很小，即使如鍛壓等工藝也只能彌補下材料內部的缺陷，並不能讓密度增加幾何，當然仍然會增加一點，但對於“壓縮”這種明顯的縮小卻是不能！當外界施加的壓力讓固體的原子試圖更進一步接近時，原子外層電子的相互斥力會阻止兩者進一步靠攏！兩個電子在原子半徑（1×10^-10M）範圍內的斥力達到了F=2.31×10^(-8)牛頓，可能您認為這個並不大，但要知道原子的外層電子是每個原子都至少有一個或者更多，那麼一塊固體內有多少原子？
二、固體不可壓縮嗎？
非也，那只是我們給與的壓力不夠而已，比如在地球的鐵鎳物質就達到了10.7g/立方厘米，這明顯要高於地球表面的鐵的密度（7.8g/立方厘米），而太陽核心的密度則達到了150g/立方厘米，大約是水的150倍，這是因為儘管核外電子的斥力可以對抗強大的壓力，但它終有屈服的那一個階段，在地球和太陽核心，電子之間的斥力就“部分屈服”了！
1.白矮星物質
這是電子斥力屈服的一個階段，在太陽壽命的最後階段，核心的氦元素也耗盡了，再也不會有什麼氦閃出現，因此輻射壓無法再也對抗輻射層以及對流層對於核心的強大壓力，因此核心150g/立方厘米的物質將會繼續增加密度，而中心碳氧原子的電子將會被壓到極度接近原子核的位置，保持結構不被壓力摧毀的電子簡併力在苦苦支撐！
2.中子星物質
泡利不相容的原理告訴我們，電子之間的斥力是阻止物質繼續坍縮的唯一支撐，但如果死亡恆星的外殼不斷加大，超過了錢德拉塞卡極限，即坍縮引力勢能大於電子簡併態能時！
那麼電子簡併力將再也無法阻止引力坍縮的繼續進行，電子將被壓入原子核，與質子的正電荷中和成了中子，此時物質已經破壞了其本身的原子核結構，失去原來物質的所有化學與物理屬性！已經成為了一顆中子星！
3.黑洞
中子星物質之間的結構支撐力是中子簡併壓力，與電子簡併壓力一樣，中子也是有排它性的，它們不能佔據空間中的同一個位置，因此粒子間的存在相互的排斥力。不過各位要注意下的是這個簡併力是泡利不相容原理，背後並沒有所謂的“力”，一個量子態上只能容納一個費米子，這就是量子力學世界的“性質”！當然這個一個量子態只能容納一個費米子，但這也架不住無窮的質量增加，其實不需要無窮大，一顆坍縮前的恆星核心質量超過3.2個太陽質量時，將無法避免坍縮成一個黑洞，當然現在在夸克時代猜測會坍縮成夸克星，不過仍然沒有在觀測獲得證實！但理論上存在夸克星這種天體！
三、黑洞的種類和特性
不要認為坍縮後的黑洞就只有一個型別，其實黑洞並不止一種，一般從結構上區分可以分成三種：
1.不旋轉不帶電荷的黑洞：它的結構於1916年由史瓦西求出，稱史瓦西黑洞
2.旋轉不帶電荷黑洞：結構由克爾在1963年計算得到，稱克爾黑洞。
3.旋轉帶電荷的黑洞：結構於紐曼在1965年由計算得到，稱克爾-紐曼黑洞
史瓦西黑洞就是“最普通的黑洞”，也是最理想化的黑洞，因為它沒有自轉也沒有電荷，但坍縮成黑洞的恆星的明顯都是自轉的，也許原初黑洞（宇宙誕生之初坍縮而成的黑洞）存在不旋轉的可能！
克爾-紐曼黑洞的視界和無限紅移面是分離的，並且視界將分成外視界和內視界，無限紅移面也有兩個，兩個紅移面之間的區域是能層，黑洞旋轉的能量儲藏在這裡，請注意，越過了克爾-紐曼黑洞的無限紅移面物體仍然有機會逃離黑洞！理論上可以在克爾紐曼的靜止介面外建立一個空間站，然後利用拋射質量來提取黑洞的旋轉能，得到幾乎無限的能源！
剛剛事件視界望遠鏡(EHT)成像的室女座M87*黑洞就是一個順時針旋轉的克爾黑洞（距離地球約5500萬光年，質量為太陽的65億倍）！
M87*和太陽系的對比，很明顯整個太陽系都在視界內，不過請各位不要搞錯的是中間那個黑圈並非視界！
人類現在在生物、化學等自然學科技術發展的突飛猛進，給原本好奇心強烈的人們帶去了豐富多彩的精神食糧。人類在探索與發明的同時給自我價值以肯定，人們在享受科技帶來的福祉的同時也收穫了快樂。以上就是本期關於科學探索的事情了，大家有什麼想法呢，歡迎在評論區告訴小編一起討論哦！