超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况

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超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况
导读:超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况研究人员首次记录了超流体氦-3中“弦系壁”的长期预测现象。这样一个天体的存在,最初被宇宙学理论家所预见,可能有助于解释宇宙大爆炸后是如何冷却下来的。有了在实验室重建这些结构的新能力,地球上的科学家

超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况

研究人员首次记录了超流体氦-3中“弦系壁”的长期预测现象。这样一个天体的存在,最初被宇宙学理论家所预见,可能有助于解释宇宙大爆炸后是如何冷却下来的。有了在实验室重建这些结构的新能力,地球上的科学家们终于有了一种 *** ,可以更近距离地研究早期宇宙中可能发生的一些情况。在此之前,阿尔托大学的低温实验室连续发生了两次打破对称性的相变。

氦在大气压下仍然是液体,即使冷却到绝对零度,在绝对零度时,所有其他物质都冻结成固体。氦不仅在低温下保持液态,而且在足够低的温度下成为超流体。超流体材料的粘度基本上为零,这意味着它应该永远流动而不损失能量。当被限制在纳米结构的体积内时,研究人员可以利用同位素氦-3的超流体相来研究类似半量子涡旋的效应。

“我们最初认为,当我们降低温度时,半量子涡旋会消失。”研究者基尔•马基宁说:“事实证明,当氦-3样品冷却到半毫开尔文以下时,它们(半量子涡旋)实际上会存活下来,而不是形成一堵非拓扑壁。”虽然物理壁不会阻碍流动,但非拓扑壁会改变氦的磁性。研究人员能够利用核磁共振检测到这些变化。

在宇宙大爆炸后的最初几微秒内,一些宇宙学家认为整个宇宙都经历了对称性断裂的相变,就像纳米结构体积内的超流体在冷却时发生的那样。该理论认为,超凝聚宇宙中的量子涨落或拓扑缺陷,如域壁和量子涡旋,在宇宙膨胀时被冻结在原地。随着时间的推移,这些冻结的波动形成了我们今天所看到和居住的星系。能够在实验室里创造这些物体,可能会让我们对宇宙有更多的了解,以及它为什么会以这种方式形成。

此外,这些飓风样缺陷的结构也为拓扑量子计算的研究提供了一个潜在的模型。他说:“虽然液态氦-3作为一种可以工作的计算机的材料太难也太贵了,但它为我们提供了一种工作模型,可以用来研究可以在更容易获得的未来材料中使用的现象。”

教授格里戈里·沃罗维克(Grigori Volovik)在上世纪70年代首次用V P Mineev预测了半量子涡旋。2016年,在阿尔托低温实验室的氦超流体中首次发现了它们。

在217K以下,超流的液氦具有以下性质:

首先,液氦能沿极细的毛细管(管径约01微米)流体而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象更先由卡皮查于1937年观察到,称为超流性。

其次,如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中,让圆盘作扭转振动,则盘的运动将不会受到阻力。

第三,当液氦由容器A中通过多孔塞(或极细的毛细管)流出时,A内的液氦的温度升高。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应,即:当升高A内的温度时,其中液氦的液面将上升,若A本身是一毛细管,则将观察到液氦从上口喷出,故也称喷泉效应。

另外,液氦还具有极好的导热性,热导率为室温下铜的800倍。

以上这些性质都表现为宏观现象,事实上却是超流液氦的量子效应。不同于宏观物体,微观粒子除了坐标空间的动量外,还有一种“内部”角动量——自旋。粗略地说,可以把它看成一个转动的小陀螺,有一个小磁矩。具有半整数自旋的粒子称为费米子,如电子、中子、质子,它们的自旋为1/2。具有整数自旋的粒子叫玻色子,如光子,p-介子,它们的自旋为1。对于费米子,由于泡利不相容原理的缘故,每个状态只允许填一个粒子。而对于玻色子,粒子在各状态上的填充数不受限制。温度降到一个特定值后,越来越多的玻色子处于能量更低的,也就是动量为零的状态。这个现象叫做玻色—爱因斯坦凝聚。这里所说的凝聚不是通常说的那种气体变液体的凝聚,而是“动量凝聚”。也就是说,许多分子都转到动量为零的状态,这就使得它们在坐标空间中还是在容器中的液体,而此时液体的流动性发生了突变。液氦(4He)是玻色子,在217K以下的超流转变就是这种“凝聚”。 直到20世纪70年代末科学家才观测到氦3的超流体现象,因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。 爱因斯坦预言,原子气体冷却到非常低的温度,所有原子会以更低能态凝聚,物质的这一状态就被称为玻色-爱因斯坦凝聚。玻爱凝聚态物质就是超导体和超流体,它实际是半量子态,在半量子态下,费米子象玻色子一样可以在狭小空间内大量凝聚。外地核就是玻爱凝聚态的超流体物质,内地核则由中微子构成,都是高密度、大质量形态。

超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体,即流体内部完全没有粘滞。超流体原理的应用尚在研究之中。不过,这一领域已经曙光初现。2002年,德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为2002年世界十大科技进展之一。

氦3最吸引人类的就是它作为能源材料的优秀“潜质”。氘和氦3可以进行核聚变,这种聚变不产生中子,所以放射性小,而且反应过程易于控制,可算是既无污染又安全。氦3不仅可用于地面核电站,而且特别适合作为火箭和飞船的燃料,用于宇宙航行。从月球土壤中每提取一吨氦3,可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。

据专家计算,如果采用氦3核聚变发电,美国年发电总量仅需消耗25吨氦3;中国1992年的年发电总量只需8吨氦3,全世界一年有100吨氦3用于发电就够了。以目前全球电价和空间运输成本算,1吨氦3的价值约40亿美元,而且随着空间技术发展,空间运输成本肯定将大大下降。最近法国科学家宣布,2030年,利用氦3进行核聚变发电将实现商业化。据估算,如果月球上有500万吨的氦3储量,那能够支持地球万年以上的的电量!

我觉得有这种可能性,不过饱和这个说法我觉得不馁,也许说黑洞的质量足够大,大到超过了其爆炸的临界点以后会炸出个新的宇宙来更确切。或许我们的宇宙在大爆炸之前本身就是一个超级黑洞。

引述:黑洞是密度无限大,温度无限高的天体,它能吞噬周围的所有物质,包括光也无法逃脱,当一个黑洞吞噬物体达到凝聚点时,会发生大爆炸。

这段描述黑洞的话比较有代表性,基本反映了目前对黑洞的理解,这个理解需要如下修正:

1 黑洞不是大爆炸奇点,这个描述基本按奇点去理解黑洞了。

2 既然黑洞不是奇点,那么,黑洞的密度就不会是无穷大。

3 黑洞分为先天一代黑洞和后天次代黑洞,一般认为宇宙中先出现黑洞,然后才有物质。爱因斯坦广义相对论引力塌陷黑洞是后天黑洞。

4 先天一代黑洞是中微子在宇宙冷极-27315℃环境中冷凝的中微子玻色-爱因斯坦凝聚态(超流体)又叫中微子冰经过一个聚集过程当质量超过霍金质量后形成的,所以黑洞的温度不是极高,而是永远为0K或绝对零度。

1920年玻色-爱因斯坦预言当玻色子在0K或绝对零度附近时,所有粒子的量子态就会趋同形成一个粒子,这就是玻色-爱因斯坦凝聚态,这个预言现在已经被成功验证。

5 黑洞是宇宙中唯一只生不死的天体,可以长大,可以被更大的黑洞吞噬,不管黑洞的质量有多大,黑洞永远不会爆炸。

以上是关于黑洞这种特殊天体的正确描述。

回到本题:黑洞吞噬外周星体后会不会爆炸,答案是黑洞不会爆炸,但当吸收外周星体角动量后,黑洞自转线速度可能被加速,且当自转线速度达到光速时,黑洞就变成为白洞,创生正反物质:

光子→正中子+反中子

这是《易》中太极生两仪过程,将能量转换为物质的质量,然后,黑洞自转线速度迅速下降到光速以下。这个过程黑洞还会长大不会消失。

这时白洞的温度(黑洞撕裂空间部分的温度)就是普朗克温度T=14×10^32K。与黑洞形成的冷极相对,这时白洞的温度是宇宙中的更高温度,叫热极。

小结:宇宙大爆炸奇点这个概念一定是需要修正的,否则人类陷在其中,思维将被凝固。

黑洞吞噬了星系,饱和后是不是会爆炸产生一个新的宇宙?

先说结论:黑洞会不会爆炸目前还没有任何理论和观测能够证明,黑洞奇点也不是宇宙奇点,质量是有限的,因此即便爆炸也不可能炸出一个宇宙。

黑洞会不会饱和?这个也没有任何根据。现在人类发现更大的黑洞,是距离我们104亿光年的TON618类星体中心黑洞,其质量达到太阳的660亿倍,直径为3960亿公里,还在不断的吞噬着天体,丝毫也没有被喂饱的样子。

宇宙是有生有死的,我们这个宇宙诞生于138亿年前,但怎么死去,迄今科学界也没有一个定论。

有一种终结说是宇宙最终会被黑洞统治,所有的天体都被黑洞所吞噬,最终宇宙就是一个大黑洞。

从这种终结说来看,黑洞是永远不会饱和的。既然不会饱和,谈什么饱和后爆炸呢?

所谓量子真空就是假真空,也就是说在时空都还没有出现之前,这个世界虽然是真空的,但是属于量子的世界,在真空中充满了随机量子涨落,蕴含着巨大的能量。

这些能量都是成对出现,也就是以正反能量对虚粒子状态随机出现,这些能量对一出现就很快相撞湮灭了。

如果都是这样一直玩着双人转,我们这个宇宙就不会出现了。

但宇宙正反物质并不精准的完全对称,存在着破缺,这样就出现了极微量的第三者,这个第三者就是多出来那么一点点正物质,这就是奇点爆炸出宇宙的由来。

这种爆炸是不是与黑洞有关,没有这方面的研究。

当然民科们尽可以信口开河说得天花乱坠,但一个有严谨科学态度的人还是以科学的证据或者数理逻辑来说话。

天文学家卡尔·史瓦西早就给出了结论,他基于爱因斯坦引力场论得出了一个真空解,这个真空解就是当一个物体缩小到其质量临界半径值时,所有的物质就会无限向中心质点坠落,一去不复返。

这就是黑洞,质点就是黑洞的奇点。

这个理论认为,任何有质量的物体都有自己的临界半径,这个半径大小与质量成正比,其表达式为:R=2GM/C²。

这里,R表示史瓦西半径值,单位m(米);G为引力常量,取值667x10^-11N·m²/kg²;M为物体质量,单位kg(公斤),C为光速,约300000000m/s(秒)。

史瓦西半径是人们为了纪念卡尔·史瓦西,以他名字命名了这个质量临界半径。

这样我们可以得出,黑洞的史瓦西半径是有大小的,但黑洞中心奇点是没有大小的,只能表示为无限小。

无限小就是怎么小都不过分,也可以视为“无”,一个没有体积却有质量的东西,其密度当然只有无限大了。

前面有位教授认为黑洞奇点不是宇宙奇点,因此认为黑洞密度不是无限大,这个观点是不严谨的,值得商榷。

黑洞密度是什么?是不是指整个黑洞的史瓦西半径球体?这个密度当然不可能无限大,而且是质量越大的黑洞密度越小,甚至小到连空气密度都没有。

但既然说到是大爆炸奇点,就应该与黑洞奇点相比。这两个奇点除了质量不一样,其他性质是基本相同的。

正因如此,科学家们研究黑洞才会对认识宇宙起源有一定帮助。

密度是物质的量与体积之比,一个无限小体积的东西密度只能是无限大的。同理温度也是物质密度和能量的反应,既然密度无限,温度当然也无限了。

根据黑洞质量大小,其史瓦西半径大小不同。这个半径之内才是黑洞奇点的无限曲率(也就是无限引力)范围。

在这个范围内,一切物质,包括光都被吞噬,任何物质无法逃逸。

但这并不是说,黑洞引力就局限于这个范围了,而是它无限的引力只能管到这个范围。

在史瓦西半径以外,也就是事件视界以外,引力还是很大的,只不过不是无限而已。

因为一个黑洞史瓦西半径远远小于一个任何其他天体半径,这样距离引力质点的距离就非常小。

比如一个5倍太阳质量的黑洞,史瓦西半径只有15公里,而一颗这么大的恒星,半径一般都有百万公里左右。

因此一颗恒星表面引力和一颗黑洞视界边缘的引力当然完全不一样了。

但如果距离黑洞到一个正常天体半径以外后,黑洞的引力大小就等同于其他同质量的天体了。

比如一个中子星半径10公里,一个中子星同等质量的黑洞,在距离奇点10公里的地方,与中子星表面引力是一样大的。

一个5倍太阳质量的恒星,与1个5倍太阳质量的黑洞,在距离它们质点同样距离的地方,比如距离1000万公里,恒星和黑洞的引力是一样的。

这个定律表达式为:F=GMm/r²。

这里,F为引力大小值,G为引力常数,M和m是相互引力作用的两个物体质量,r为两个物体之间质点的距离。

在艾萨克·牛顿300多年前确定的万有引力定律面前,不管是黑洞还是中子星、恒星、行星等一切物体,都一视同仁必须遵从。

这就是我们这个宇宙的规律,在规律面前只有遵从和利用,而无法改变。

说了这么多,无非就是为了说明黑洞既是一个极端天体,也同样遵从宇宙规律,因此要一个黑洞爆发出一个宇宙来的想法是荒谬的,违背规律的。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

这里头有个误区哟,那就是黑洞并不是像吸尘器那样不断的吸收着各种物质,如果把太阳替换成同等质量的黑洞,地球几乎不会发生任何变化,当然除了我们都会冻死

那我们再说说黑洞的结局,目前已知更大的黑洞是S5 0014+81,是太阳质量的400亿倍,直径有2367亿公里,是太阳到冥王星距离的47倍,然而这么大的黑洞,你知道它的结局,仅仅是蒸发而已嘛?这个过程被称作霍金辐射。要理解这个过程,我们要聚焦真空,真空并非什么都没有,它充满正反粒子,从真空产生,碰撞并湮灭。当这个过程正好发生在黑洞边缘时,其中一个虚粒子被拉入黑洞,而另一个则逃逸成为实粒子,所以黑洞的能量会逐渐消失,这个过程刚刚开始非常缓慢,随着黑洞变小会越来越快,当质量相当于一个大型小行星时,它辐射的热量相当于室温,在它生命的最后时刻,黑洞辐射消失,继而发生爆炸,不过这个过程十分十分缓慢,其速度慢到天文数字计量的年份,如果全部黑洞蒸发甚至超过宇宙的寿命。

宇宙之大,浩渺无边(科学家说,宇宙是有边际的,我说“无边”是修辞)。人类所知有限,可任由想象的飞马纵横驰骋。一切都有可能。

黑洞的呑,呑有呑的反应和变化,这需要以光速时间为计算,会出现什么情况,宇宙有宇宙约新陈代谢,宇宙有繁殖的特色,既有旧老的星球死亡,甚至星系之亡,但更以繁殖之多而出现,像人类不控制,人,只会多,死比生的少,出生的比死的多,宇宙的情况也是如此,所以宇宙的星球,星系无穷。

你怎么知道有黑洞?中国有科学家吗?全都是西方科学的搬运工。

黑洞并不是貔貅,黑洞也会死亡,在漫长时间里它会不断吞噬,但是同时它会散发“霍金辐射”,最后以爆炸形式结束。理论上宇宙最后的余晖就是黑洞爆炸,然后宇宙进入光子的海洋,温度无限被稀释

不会 她是通一个世界

只要相信“大千世界,无奇不有,一切皆有可能”这句话的话。我相信答案就出来了吧。

中子星是质量在一定范围内的恒星耗尽燃料并塌缩后留下的极端致密的残骸。它们含有宇宙中最致密的物质(黑洞不属于物质的范畴),但具体成分一直是一个未解之谜。科学家知道,在中子星内部,引力把质子和电子压缩成了中子,但却不知道这些中子是以什么样的形式存在的。它们是组合起来形成无黏滞的“超流体”,还是被进一步分解成更基本的夸克和胶子?

当一颗质量是太阳20倍的恒星死亡之后,它会变成大小如一座城市,密度高得不可思议的天体—— 中子星 。用NASA天体物理学家扎文·阿祖马尼安(Zaven Arzoumanian)的话说,中子星是“大多数人从未听说过的最奇异天体”,一块乒乓球大小的中子星物质,重量就超过了10亿吨。

天文学家认为,在引力的挤压下,中子星内部的大多数质子和电子融合成了中子——它就是因此而得名的。但这并不是最终结论,天文学家从来没有近距离观察过中子星,地面实验室也无法制造出接近其密度的物质,因此,中子星内部结构仍是宇宙中的重大谜题之一。

中子星内部含有 已知引力最强的物质 ——再增加一点质量,它们将会变成黑洞,而后者实质上并非物质而是极端弯曲的时空。“这个临界状态是什么样子的?” 阿祖马尼安说,“这就是我们正在 探索 的问题。”为了解答这个问题,研究者提出了若干个相互竞争的理论:

因为我们不能把中子星切开看看里面有什么,所以没有一个简单的 *** 来判断这些理论哪个才是正确的。尽管如此,科学家还是取得了一些进展。一个重大突破出现于2017年8月,研究者通过地面实验探测到了两颗中子星正面相撞产生的引力波。引力波是大质量物体加速运动时产生的时空波动,这次检测到的引力波携带了两颗发生碰撞的中子星的质量和大小等重要信息,利用这些信息,科学家就可以进一步确定中子星的性质和内部成分。

2017年6月开始在国际空间站上运行的 中子星内部成分探测器 (NICER)也在帮助科学家搜集线索。NICER监视的是脉冲星这种具有强磁场并快速自转的中子星。脉冲星发射出的光束会不断扫过星际空间,当地球处于光束扫过的区域时,我们就会看见脉冲星在以高得令人震惊的频率“眨眼睛”,最快1秒能闪烁700多次。通过这些实验,科学家有望弄清中子星里面到底是什么。如果真能实现这个目标,我们不但可以更好地认识这类怪异天体,还能了解极端条件下的物质和引力。

恒星在核心耗尽燃料而停止产生能量时,可能会发生超新星爆发,中子星就是从这种灾难性的爆发中锻造出来的。突然没有了对手的引力会像活塞一样锤击恒星,吹散外面的包层,击碎核心。处于这个阶段的恒星,其核心主要是铁构成的。强大的引力可以压碎原子,将电子挤进原子核使它们和质子融合产生中子。“来自四面八方的压力将铁压缩了10万倍,”圣路易斯华盛顿大学的物理学家马克·奥尔福德(Mark Alford)说,“直径十分之一纳米的原子变成了直径几飞米的中子。”这就像是把地球压缩成一个街区的大小。当恒星停止塌缩后, 内部的中子数量大概是质子的20倍。

物理学家认为,中子星的质量大约是太阳的1~25倍,可能有至少 三层结构 。最外层是由氢和氦组成的 气态“大气” ,厚度为几厘米到几米。这层大气漂浮在厚度约1千米、 由原子核构成的外“壳层” 之上。在这一层中,原子核排列成晶格结构,电子和中子充斥于其间。最里面的 第三层包含了中子星的大部分质量,其具体成分仍是个谜。 这里的原子核挤在一起,几乎没有剩余空间,达到了核物理能允许的更高密度。越靠近中子星的核心,每个原子核内的中子数就越多。在某处,原子核将无法容纳更多的中子,这时中子会溢出,此时再也没有原子核了,只有核子(即质子和中子)。最终,在中子星最深处,这些粒子也可能被分解。

“对这种异常高压和高密度状态下的物质,我们的认识还处于假说阶段。” 奥尔福德说,“我们认为,中子实际上可能已经被压碎了并互相重叠,所以你无法将它看成中子流体,而是应该称其为 夸克流体 。”这种流体具体是什么形式的,仍是个没有定论的问题。一种可能是,夸克形成了 “超流体” ,这样的流体没有黏性,理论上一旦运动起来就永远不会停下来。中子星内部出现这种离奇的物质状态是可能的,因为夸克之间的关联性使得它们在足够靠近时可能形成束缚的“库珀对”。

夸克本身是费米子——其自旋量子数是半整数。当两个夸克配对后,它们整体表现为 玻色子 ——其自旋为整数。 这一转变意味着粒子将遵循新的规律。 费米子服从泡利不相容原理,即两个相同的费米子不能占据相同的状态——但是玻色子不受这样的限制。在拥挤的中子星内部,作为费米子,夸克不得不具有越来越高的能量以便占据比其他夸克更高的能级。然而, 变成玻色子之后,它们可以全部待在能量更低的状态。 当夸克对处于这种状态时,就形成了超流体。

在密度更高的核心区域之外,中子还保持完整状态,它们也可以配对形成超流体。实际上, 科学家确信中子星的壳层有超流体 ,证据来自于脉冲星的“周期跃变”,即中子星的自转突然在一段时间内变快。中子星的自转会自然地变慢,而流动时不受摩擦力作用的超流体却不会变慢。当两者自转速度的差异变得太大时,超流体会将角动量转移到壳层。“就像是地震,” 纽约州立大学石溪分校的天文学家詹姆斯·拉蒂默(James Lattimer)说,“中子星打了个嗝,突然释放出一些能量,自转频率短时间内增加,然后又恢复。”

2011年,拉蒂默和同事声称,他们找到了中子星核心存在超流体的证据,但他承认这还存在争议。拉蒂默的团队在墨西哥国立自治大学的达尼·帕日(Dany Page)的领导下,研究了仙后座A的X射线观测数据。他们发现, 星云中心的脉冲星冷却速度要比传统理论预期的更快。 一种解释是,中子星内部的一些中子两两配对成为超流体,中子对散开又重新结成时会发出中微子,使得中子星失去能量而冷却。

超流体仅仅是中子星神秘大门背后隐藏的一种可能性。中子星还可能是稀有的“奇异夸克”之家。夸克有六种类型,或者更确切地说是有六种味道——上、下、粲、奇异、顶、底。原子中仅存在上和下这两味最轻的。其余的味道质量太大而不稳定,所以它们往往仅在粒子加速器(例如大型强子对撞机)的高能粒子碰撞实验中短暂出现。

但是在极端致密的中子星内部,中子内的上、下夸克可能有一些会转变成奇异夸克 (其余的罕见味道——粲、顶、底夸克由于质量太大,即使在这里也不大可能形成)。如果奇异夸克出现并且与其他夸克束缚在一起,会形成 中子的“变异体”——超子 。也可能这些夸克根本没有组成其他粒子,而是自由地漫游在“夸克汤”之中。

每一种可能的物质状态都会显著地影响中子星的大小。 用阿祖马尼安的话说,中子“就像弹珠,构成一个坚硬的固态核心”。固态核心会撑起外层,使中子星变得大一些。另一方面,如果这些中子分解成了一锅夸克胶子汤,就会构成一个“较软的、糊状”的核心,中子星的半径也会变小。NICER实验的目的就是确定哪个解释是正确的。阿祖马尼安是该项目的首席研究员之一,主管科学事务,他说 :“NICER的关键目标之一是测量中子星的质量和半径,以此帮助我们选择或排除关于致密物质的某些理论。”

NICER是一个洗衣机大小的盒子,安装在国际空间站外部。它持续地监视天空中的数十颗脉冲星,探测从它们发出的X射线光子。NICER能探测光子的能量和达到时间,还有光线在中子星引力场作用下的弯曲程度,从而帮助科学家计算这些脉冲星的质量和半径,并进行比较。

测量中子星的半径可以有效地精简有关中子星内部物质状态的候选理论。科学家曾经认为中子星内部一半的中子会转变为含有奇异夸克的超子。理论计算表明,这种富含超子的中子星无法超过15倍太阳质量。然而在2010年,由美国国家射电天文台的保罗·德莫雷斯特(Paul Demorest)领导的天文学家测量到一颗中子星有197倍太阳质量,这一发现排除了许多关于中子星内部的理论。 现在物理学家估计中子星内部的超子含量不会多于10%。

研究单个的中子星让我们收获颇多,但研究两颗中子星的碰撞更有价值。多年来,天文学家通过望远镜观测到了一些名为伽马射线暴的强烈闪光现象,他们一直怀疑这类事件源自两颗中子星的碰撞。而通过2017年8月探测到的引力波,天文学家终于看到了之一例 中子星并合 。2017年8月17日,两个实验组——激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲的Virgo——同时探测到了两颗中子星相互旋进,然后并合成一颗中子星或黑洞时产生的引力涟漪。

这并不是科学家之一次探测到引力波,但之前的引力波都来自两颗黑洞的碰撞。不但如此,这次在探测到引力波的同时,科学家也利用望远镜观测到了来自天空同一个位置的电磁波。电磁波和引力波加在一起,提供了有关碰撞发生的位置和过程的大量信息,对研究中子星物理大有益处。天体物理学家追踪引力波找到了距离地球13亿光年的一对中子星。引力波的细节,即频率、强度以及模式随时间的变化,能让研究人员估算出碰撞前两颗星的质量大概是太阳的14倍,半径是11~12千米。

这些信息可以帮助科学家构建出一个描述中子星本质的关键方程,即 状态方程 。这种方程描述了物质在不同压强和温度下的密度,应当适用于宇宙中所有的中子星。对应不同的中子星内部物态,理论学家已经提出了若干可能的状态方程,而新的观测可以排除其中的一些。例如,这次观测发现中子星的半径相对较小,让人颇感意外。如果试图用相同的状态方程描述这些致密中子星和已知的大质量中子星(例如197倍太阳质量的庞然大物),一些理论就会陷入困境。

如能提升引力波探测器的灵敏度,我们会得到巨大的回报。例如,有一种检验中子星物态的 *** 是 寻找内部旋转流体发出的引力波 。如果流体的黏性很低或者为零——就像超流体那样——它会以一种名为r模式的特殊方式流动,并发出引力波。“这种引力波比并合发出的引力波弱得多。” 奥尔福德说,“物质在静静地晃动而不是被撕裂开。” 奥尔福德和他的合作者确定,目前运行的先进LIGO探测器无法看到这类引力波,但未来LIGO的升级版以及一些筹划中的天文台,例如欧洲考虑建设的地面爱因斯坦望远镜,是可能看到的。

破解中子星谜题可以帮助我们认识处在难以理解的极端状况下的物质。这种物质与构成我们世界的原子差异极大,能扩展我们的认知疆界。它可能将一些奇思妙想变成现实,比如流体般晃荡的夸克物质、超流中子和异乎寻常的超子星。而且,理解中子星还有更大的意义:物理学家更深层的目标是利用这些致密恒星来解决更重要的未知问题, 例如支配原子核内相互作用的定律,以及物理学更大的未解之谜——引力的本质。 中子星仅仅是研究核力的一种方式,世界各地的粒子加速器也在做这类研究,后者可以像显微镜那样窥探原子核内部。

当多数核物理问题被解决后,科学家就可以将重点转向引力。“中子星融合了引力物理和核物理,”麻省理工学院的奥尔·亨(Or Hen)说,“现在我们正把中子星用作实验室来研究核物理。由于我们可以利用地球上的原子核,我们有望最终将核物理方面的问题研究得非常透彻。然后我们就可以利用中子星去研究引力,这也是更具挑战性的物理问题之一。”我们目前的引力理论是爱因斯坦的广义相对论,它与量子力学难以相容。这两个理论终有一个要做出让步,而物理学家不知道是哪一个。“我们会知道的,” 亨说,“这样的前景令人兴奋不已。”