中子星的祕密——簡併壓

中子星的秘密——简并压

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(本文作者為熱心讀者白鳥瞳女士)

泡利不相容原理是廣為人知的物理原理,即在費米子組成的系統中,不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態。而宇宙中有一種天體正是靠泡利不相容原理才得以出現的,這就是中子星,而泡利不相容原理在此處的體現正是簡併壓。

中子星一般是超新星爆發的產物。我們知道,天體都是靠引力束縛在一起的,而大多數天體未直接坍縮下去的原因,就是因為有某種和引力相抵抗的作用。否則豈不是漫天黑洞了?而中子星這裡,由於泡利不相容原理,中子彼此之間不能佔據同一個量子態,就無形間產生了一種壓力來抵抗引力,這就是所謂的簡併壓。

中子星的秘密——简并压

著名理論物理學家沃爾夫岡·泡利

那麼簡併壓到底屬於哪種基本作用力呢?

為了解決該問題,有人提出了一個理想實驗:設想一個裝有氣體的容器,容器壁會受到大量氣體粒子的撞擊而感受到一個壓強。如果氣體是由經典粒子組成的,那麼在氣體溫度趨於絕對零度的時候,所有氣體的動量都將變為零而使得壓強減小時。但是如果這是個費米氣體,情況會很不一樣。泡利不相容原理告訴我們,在同一個無窮小的格子中的所有粒子,不可能處於動量的零基態。那麼勢必有大量的費米氣體粒子即便在溫度趨於絕對零度的情況下,仍然有著不為零的動量。這些粒子撞擊容器壁產生的壓強就是簡併壓。這個壓強的產生與粒子之間有何種作用力沒有關係,也沒有引入新的粒子間的相互作用,完全是由於零動量的像空間被佔滿的情況下,其餘粒子被泡利不相容原理排擠到動量不為零的相空間導致的。

不過這個例子的缺點在於,這個器壁所提供的壓力可以直接由壓強兌換。而之前的例子中,儘管中微子可以有很大壓強,但是器壁是沒有的。想探測壓力需要額外的手段,比如藉助弱相互作用,儘管壓力微乎其微。

中子星的秘密——简并压

神秘的中子星

事實上,換個角度想,引力對中子星的簡併壓有非常大的貢獻,因為這團中子正是引力束縛起來的,中子星內部的中子的態分佈和引力有關係。

而著名理論物理學家安德森有個觀點,即層展現象,認為不同尺度下,有不同的規律,不能簡單用還原論的方法給出。也就是說,簡併壓其實是較複雜的,並不能簡單歸類為某種基本相互作用。

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排版:王紀堯

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中子星的秘密——简并压

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