編譯：June Xu 審 ：飛果原文作者： Paul Sutter
圖1 一顆城市大小的中子星的質量遠超於太陽，而在理論上，夸克星的密度比中子星來得更大。
構成物質的基本微粒
你的身體是由細胞組成的，仔細研究這些細胞，你會發現它們又是由許多原子構成的分子組成的。這些原子的原子核則由質子和中子組成。隨便打開一個質子或中子，你又會發現它們都是由夸克組成的。各種基本微粒以有趣的方式排列組合，形成更大、更常見的粒子，然後這些粒子成為了是世間萬物的構成基礎，構築起人類的日常體驗。
原子間的排斥力
固體之所以堅硬，主要是其構成原子之間的靜電排斥現象造成的。如果你去按一塊石頭，構成石頭的原子會扛住你施加的壓力，你就無法把石頭壓扁，除非你的按壓力超出石頭的承受範圍。當然，理論上來說如果你非常非常用力地按石頭，你可以迫使其原子的原子核相互擠壓，然後融合形成新的元素（這一融合的過程就是我們常說的核聚變，但這就得另說了）。（可參見文章Weird World of Quantum Physics May Govern Life）
即使在某些特殊的情況下，你也可能遇到奇怪的排斥力。舉個例子，如果你將一團進行無規則運動的氣態電子冷卻至絕對零度 （我知道現實中達到絕對零度是不可能的，但既然我們的實驗是在大腦中進行的，就請跟我一起想象一下吧），此時所有粒子停止運動，按理來說氣體的壓力也會減為零，因為氣體的壓力與溫度有關。但事實是，老天和你開了個玩笑，你會發現此時氣體仍能產生強烈的抵抗力，而且這股阻力並不低於你試圖擠壓一塊石頭時遇到的阻力。
排斥力的由來：簡併態—— 能量處於波谷的穩定態
這一阻力來自何方呢？這就是量子力學的詭譎之處了。按照量子力學，宇宙中存在著兩種最基本的物質構成粒子：費米子 （比如電子和夸克）和玻色子 （比如光子）。這兩種粒子唯一的區別在於：當我們試圖合併它們的量子態時，它們的表現各不相同。此處的“量子態”一詞其實就是指我們描述特定系統中某一微觀粒子時所用的的一系列數據（或量子表徵），這些數據可以是：粒子的能級、角動量、自旋取向等等。
科學家們發現任兩個費米子的量子態不會完全相同 ，也就是說，一個系統中的不同費米子永遠也不可能有完全相同的量子表徵，而玻色子的量子表徵則完全可能相同。起初，這只是在實驗結果的基礎上推理出的一條自然規律，但它是量子力學和狹義相對論相結合的產物（那就很厲害了）……不過這展開來又是一篇文章了。
根據泡利不相容原理（微觀粒子運動的基本規律之一）：不能有兩個相同的半整數自旋的電子或其它費米子同時佔據相同的量子態，因此產生了一種抵抗壓縮的壓力，也就是簡併壓力。
瞭解了費米子和玻色子的概念以後呢？如果你在絕對零度的條件下將兩個費米子放置於一個系統中，這兩個費米子不可能擁有相同的零基態能，即其中一個費米子必須有一套不同的量子表徵，比如有更高的能量或者完全不同的自旋方向等。這是沒辦法的事，因為世界的基本結構就是如此。這就意味著即使溫度降至絕對零度，電子團也絕不可能是零能量狀態，相反溫度越低，電子團越是處於高能態，這些能量表現出來就是物質可以抵抗外界壓力。
即使不在絕對零度的條件下（因為你永遠也不可能達到那個條件），比如在常態時，上述電子團仍然會產生比較強的壓力。這種情況下的微粒就被稱作處於“
簡併態 ”（其實是一種能量較低的常態，因為能量低才能保持穩定）。電子簡併壓力與白矮星的形成、崩塌
當簡併態物質出現在自然條件下時，比如在一顆垂死恆星的內核中，電子呈簡併態時，垂死恆星的引力坍塌受到阻礙，一顆白矮星 （一種質量、密度比原來的恆星更大的星體）就誕生了。
但簡併態下的壓力也是可能被壓制住的。如果粒子間的引力太強了（具體來說，比如當白矮星的質量超過太陽質量的140%時），此時電子的“簡併壓力 ”就無法與之相抗衡，其直接結果就是白矮星崩塌（演化為白矮星的恆星一般質量不大，不會超過太陽質量的8倍，白矮星徹底崩塌後會形成黑矮星 ，能量耗盡的恆星演化到此便算終止了）。
中子簡併壓力與中子星的形成、崩塌
若達到太陽質量8倍以上的大質量恆星內部發生了引力坍塌，最終很可能會演化為黑洞，成為宇宙中令人恐懼的吞噬萬物的惡魔。不過這種毀滅性崩塌至形成黑洞奇點的事情並不那麼容易。準確地說，遠超過太陽質量8倍的大質量恆星內部發生了引力坍塌，最終才會演化為黑洞。
對於未達到遠超太陽質量8倍的大質量垂死恆星來說，在被引力大規模壓縮的過程中，其內核的電子可能會被擠壓進一些遊走不定的質子內部，然後轉變成中子。當垂死恆星內部的電子基本上都轉變成稠密的中子時，中子產生的簡併壓力會阻止恆星的進一步坍塌，並形成殘留核心，它的質量是太陽的好幾倍，大小卻不超過一個小鎮：這就是
中子星 。與白矮星相似，中子星也是有其質量極限的（超過這一極限中子星會崩塌），但這一極限的數值目前難以明確。這是因為目前為止，我們還無法完全探明在中子星核內發生的複雜的物理現象。但我們能大致猜測，其質量大約相當於三個太陽的質量。
現在我們可以知道，星體質量超過白矮星質量極限時，電子簡併壓小於引力，白矮星崩塌。但只要不超過中子星質量極限，就會形成中子簡併壓。當星體質量超過了中子星質量極限，中子簡併壓小於引力，中子星也會崩塌。那麼，鑑於中子星 是已知除黑洞外密度最大的星體，是否可以認為若中子星也崩塌了，那麼等待巨大質量垂死恆星的就只有黑洞了？除非這一過程中還存在著其它的天體形態介乎黑洞與中子星之間？
夸克星也許可以救場
打開幾個中子，你會發現裡面有一大批夸克：它們本身就是費米子，完全能產生簡併壓。
太好了！中子星崩塌的下場很可能不會是直接成為黑洞了！理論上來說，既然有夸克，就可能產生夸克簡併壓來抵抗引力坍縮，從而形成夸克星。那麼這種目前這種只在理論上成立的夸克星是否真的存在呢？自然界中有夸克星嗎？（可參見文章7 Strange Facts About Quarks）
首先，很難在理論上解答這個問題，目前我們還不能清楚認識夸克層次上的物理現象。部分是由於夸克微粒很“害羞”——它們從不單獨出現，一直都抱團生存，所以我們無法單獨探尋某一個夸克粒子的行為特性。但成群存在的夸克微粒們又相當複雜——我們甚至不知道它們能否在我們需要的特定規模下形成穩定的結構。
其次，也很難根據觀察結果解答這個問題。從距離夸克星很遠的地方進行外部觀測（比如說站在地球上），夸克星看上去是很像中子星的：它們都是發射射線以及擁有超強磁場的大質量緻密天體。當然了，它們可能在電磁特徵信號方面存在著一些細微的、神秘的區別，但這些區別都不易捕捉，否則我們早就能獲知一些信息了。還可能中子星的核心實際上是由夸克支撐的——那筆者就不得不再次表示我們目前還無法確定中子星內部的複雜物理現象。
如果夸克星確實存在的話，它們一定數量稀少。因為恆星演化成夸克星的條件比較苛刻，大多數情況下大質量的恆星或成為普通的中子星，或成為一個地道的黑洞。所以即使我們通過數學算法推出夸克星理論上存在，但現實中夸克星只是滄海一粟，我們也許極盡所能也無法找到一顆夸克星。
哎，不管怎麼說，還是值得一試。
原文作者簡介：Paul Sutter是美國俄亥俄州立大學的天體物理學家，也是科學情報委員會科學中心（ COSI science center）的首席科學家。同時，Paul Sutter也是Ask a Spaceman 和 Space Radio兩檔節目的主持人。
原文鏈接：https://www.space.com/39717-are-quark-stars-possible.html
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