编译：June Xu 审 ：飞果原文作者： Paul Sutter
图1 一颗城市大小的中子星的质量远超于太阳，而在理论上，夸克星的密度比中子星来得更大。
构成物质的基本微粒
你的身体是由细胞组成的，仔细研究这些细胞，你会发现它们又是由许多原子构成的分子组成的。这些原子的原子核则由质子和中子组成。随便打开一个质子或中子，你又会发现它们都是由夸克组成的。各种基本微粒以有趣的方式排列组合，形成更大、更常见的粒子，然后这些粒子成为了是世间万物的构成基础，构筑起人类的日常体验。
原子间的排斥力
固体之所以坚硬，主要是其构成原子之间的静电排斥现象造成的。如果你去按一块石头，构成石头的原子会扛住你施加的压力，你就无法把石头压扁，除非你的按压力超出石头的承受范围。当然，理论上来说如果你非常非常用力地按石头，你可以迫使其原子的原子核相互挤压，然后融合形成新的元素（这一融合的过程就是我们常说的核聚变，但这就得另说了）。（可参见文章Weird World of Quantum Physics May Govern Life）
即使在某些特殊的情况下，你也可能遇到奇怪的排斥力。举个例子，如果你将一团进行无规则运动的气态电子冷却至绝对零度 （我知道现实中达到绝对零度是不可能的，但既然我们的实验是在大脑中进行的，就请跟我一起想象一下吧），此时所有粒子停止运动，按理来说气体的压力也会减为零，因为气体的压力与温度有关。但事实是，老天和你开了个玩笑，你会发现此时气体仍能产生强烈的抵抗力，而且这股阻力并不低于你试图挤压一块石头时遇到的阻力。
排斥力的由来：简并态—— 能量处于波谷的稳定态
这一阻力来自何方呢？这就是量子力学的诡谲之处了。按照量子力学，宇宙中存在着两种最基本的物质构成粒子：费米子 （比如电子和夸克）和玻色子 （比如光子）。这两种粒子唯一的区别在于：当我们试图合并它们的量子态时，它们的表现各不相同。此处的“量子态”一词其实就是指我们描述特定系统中某一微观粒子时所用的的一系列数据（或量子表征），这些数据可以是：粒子的能级、角动量、自旋取向等等。
科学家们发现任两个费米子的量子态不会完全相同 ，也就是说，一个系统中的不同费米子永远也不可能有完全相同的量子表征，而玻色子的量子表征则完全可能相同。起初，这只是在实验结果的基础上推理出的一条自然规律，但它是量子力学和狭义相对论相结合的产物（那就很厉害了）……不过这展开来又是一篇文章了。
根据泡利不相容原理（微观粒子运动的基本规律之一）：不能有两个相同的半整数自旋的电子或其它费米子同时占据相同的量子态，因此产生了一种抵抗压缩的压力，也就是简并压力。
了解了费米子和玻色子的概念以后呢？如果你在绝对零度的条件下将两个费米子放置于一个系统中，这两个费米子不可能拥有相同的零基态能，即其中一个费米子必须有一套不同的量子表征，比如有更高的能量或者完全不同的自旋方向等。这是没办法的事，因为世界的基本结构就是如此。这就意味着即使温度降至绝对零度，电子团也绝不可能是零能量状态，相反温度越低，电子团越是处于高能态，这些能量表现出来就是物质可以抵抗外界压力。
即使不在绝对零度的条件下（因为你永远也不可能达到那个条件），比如在常态时，上述电子团仍然会产生比较强的压力。这种情况下的微粒就被称作处于“
简并态 ”（其实是一种能量较低的常态，因为能量低才能保持稳定）。电子简并压力与白矮星的形成、崩塌
当简并态物质出现在自然条件下时，比如在一颗垂死恒星的内核中，电子呈简并态时，垂死恒星的引力坍塌受到阻碍，一颗白矮星 （一种质量、密度比原来的恒星更大的星体）就诞生了。
但简并态下的压力也是可能被压制住的。如果粒子间的引力太强了（具体来说，比如当白矮星的质量超过太阳质量的140%时），此时电子的“简并压力 ”就无法与之相抗衡，其直接结果就是白矮星崩塌（演化为白矮星的恒星一般质量不大，不会超过太阳质量的8倍，白矮星彻底崩塌后会形成黑矮星 ，能量耗尽的恒星演化到此便算终止了）。
中子简并压力与中子星的形成、崩塌
若达到太阳质量8倍以上的大质量恒星内部发生了引力坍塌，最终很可能会演化为黑洞，成为宇宙中令人恐惧的吞噬万物的恶魔。不过这种毁灭性崩塌至形成黑洞奇点的事情并不那么容易。准确地说，远超过太阳质量8倍的大质量恒星内部发生了引力坍塌，最终才会演化为黑洞。
对于未达到远超太阳质量8倍的大质量垂死恒星来说，在被引力大规模压缩的过程中，其内核的电子可能会被挤压进一些游走不定的质子内部，然后转变成中子。当垂死恒星内部的电子基本上都转变成稠密的中子时，中子产生的简并压力会阻止恒星的进一步坍塌，并形成残留核心，它的质量是太阳的好几倍，大小却不超过一个小镇：这就是
中子星 。与白矮星相似，中子星也是有其质量极限的（超过这一极限中子星会崩塌），但这一极限的数值目前难以明确。这是因为目前为止，我们还无法完全探明在中子星核内发生的复杂的物理现象。但我们能大致猜测，其质量大约相当于三个太阳的质量。
现在我们可以知道，星体质量超过白矮星质量极限时，电子简并压小于引力，白矮星崩塌。但只要不超过中子星质量极限，就会形成中子简并压。当星体质量超过了中子星质量极限，中子简并压小于引力，中子星也会崩塌。那么，鉴于中子星 是已知除黑洞外密度最大的星体，是否可以认为若中子星也崩塌了，那么等待巨大质量垂死恒星的就只有黑洞了？除非这一过程中还存在着其它的天体形态介乎黑洞与中子星之间？
夸克星也许可以救场
打开几个中子，你会发现里面有一大批夸克：它们本身就是费米子，完全能产生简并压。
太好了！中子星崩塌的下场很可能不会是直接成为黑洞了！理论上来说，既然有夸克，就可能产生夸克简并压来抵抗引力坍缩，从而形成夸克星。那么这种目前这种只在理论上成立的夸克星是否真的存在呢？自然界中有夸克星吗？（可参见文章7 Strange Facts About Quarks）
首先，很难在理论上解答这个问题，目前我们还不能清楚认识夸克层次上的物理现象。部分是由于夸克微粒很“害羞”——它们从不单独出现，一直都抱团生存，所以我们无法单独探寻某一个夸克粒子的行为特性。但成群存在的夸克微粒们又相当复杂——我们甚至不知道它们能否在我们需要的特定规模下形成稳定的结构。
其次，也很难根据观察结果解答这个问题。从距离夸克星很远的地方进行外部观测（比如说站在地球上），夸克星看上去是很像中子星的：它们都是发射射线以及拥有超强磁场的大质量致密天体。当然了，它们可能在电磁特征信号方面存在着一些细微的、神秘的区别，但这些区别都不易捕捉，否则我们早就能获知一些信息了。还可能中子星的核心实际上是由夸克支撑的——那笔者就不得不再次表示我们目前还无法确定中子星内部的复杂物理现象。
如果夸克星确实存在的话，它们一定数量稀少。因为恒星演化成夸克星的条件比较苛刻，大多数情况下大质量的恒星或成为普通的中子星，或成为一个地道的黑洞。所以即使我们通过数学算法推出夸克星理论上存在，但现实中夸克星只是沧海一粟，我们也许极尽所能也无法找到一颗夸克星。
哎，不管怎么说，还是值得一试。
原文作者简介：Paul Sutter是美国俄亥俄州立大学的天体物理学家，也是科学情报委员会科学中心（ COSI science center）的首席科学家。同时，Paul Sutter也是Ask a Spaceman 和 Space Radio两档节目的主持人。
原文链接：https://www.space.com/39717-are-quark-stars-possible.html
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