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既然黑洞看不透,为什么中心不是物质,而是奇点?

零维为点,一维为线,二维为面,三维为体。

要搞清楚黑洞内部是什么,我们先要搞清楚物质是什么?

零维为点,一维为线,二维为面,三维为体。在我们的世界中所见的物质都是三维的。

我们熟知物质是由原子构成的,在更小的尺度上你会发现原子核中的质子与中子中还存在更小的粒子。

这些基本粒子都是零维的点粒子,我们可以归纳为两类:

一种是具有静态质量的粒子费米子,例如电子、组成质子的三个夸克。

一种是静态质量为零的粒子玻色子,例如光子、胶子。

它们之间的本质区别在于粒子本身固有的角动量不同,费米子自旋是半整数值,例如电子的自旋为正负1/2,玻色子自旋是整数值,例如0、正负1、正负2,因此它们有着不同的分工以及不同的量子状态。

费米子是组成物质的最基本结构,而玻色子则是费米子间传递能量的粒子,或者说承载力的粒子。

根据泡利不相容原理,费米子不能占据相同的量子态,因此会出现量子简并压力。不过,实际上它并非是力,也不需要任何玻色子进行能量传导,本质上是由波函数的干涉效应产生的。简单可以理解为当一个电子快速波动时会在它所处的能级中形成对外的压力,导致其他的费米子并无法闯入。

中子由三价夸克组成,每一个夸克(费米子)自旋都为半整数,它们相加之后的必然为半整数,因此呈现出费米子的状态,形成了中子简并压力。

黑洞的形成

星云的聚集的因素有很多:

附近超新星爆发,冲击波扰动了本位较为分散,密度较低的星云形成了高密度区,它就像一个漩涡的泉眼,快速吞噬着周围的星云,聚集成恒星的雏形。

也可能是较为温和的,随着时间的流逝,飘荡的星云,某一处慢慢聚集出现了高密度的星云集合体。

又或者是远处飘来一颗流浪的天体,打破了星云的平衡。

总之物质开始聚集,质量越来越大,引力也越来越大,感受最深的是内部被拥挤的物质,高温高压下,达到了核聚变的条件,“点燃”了这颗天体,核聚变反应向外释放能量,抵挡了引力给予物质的压力,使恒星停止缩小,不断向往释放光和热。

最初的核聚变反应主要是氢原子核聚变,核心内部的氢会“越用”越少,聚变成的元素序号更高的氦。如果恒星的质量足够大,使得内部的压强可以达到元素周期表序号越高的元素的核聚变的条件,核聚变就会继续下去。如果达不到条件,那么当恒星只能靠原子本身的量子力来抵抗引力坍缩,在电子简并压(下面会讲)下恒星会形成一颗稳定的白矮星。

一般来说大质量恒星,内部温度足够高,核聚变反应会一直聚变到Fe(铁)。而铁往后的聚变反应释放的能量小于聚变所吸收的能量,也就是核聚变再也无法为抵抗引力提供能量,只能依靠电子简并压力来抵抗引力的坍缩,如果铁核的质量超过1.44个太阳质量,那么电子量子态就无法抵挡引力坍缩,它会被压入原子核中与质子结合成中子,这样的天体我们叫它中子星。

如果核心质量超过3个太阳质量,那么中子简并压也会崩塌,天体进一步收缩,形成黑洞。那么黑洞中的物质又会发生什么变化呢?

黑洞内的物质是什么?

如果我们换一个角度来看,整个中子星实际上就像一个超级大的原子核,只不过这个核中只有中子,没有质子,靠着中子间的量子简并压力苦苦支撑着。如果中子都抵挡不住,我们能想到的是这个巨大的原子核崩塌,当中间简并压力消失,中子内部的三个夸克能否依靠仅剩的强力(胶子、强相互作用)保持夸克间的能量传递?

爱因斯坦的《狭义相对论》描述了静态质量为零的粒子以光速沿直线传播,胶子也是静态为零的基本粒子。《广义相对论》描述了引力是时空几何弯曲所呈现出的一种现象,当远处的星光沿着直线传播到大质量天体所形成的扭曲时空时,光就会发生偏转。由此我们可以知道扭曲的时空可以改变玻色子的运动轨迹,这就是奇点形成的关键因素。

黑洞的视界领域内一片漆黑,任何以光速运动的光子都无法从视界领域内逃脱。这说明视界内的时空极度扭曲,所有空间路径最终都聚向中心。

我们可以想象一个画面,一艘船在平静的海面上,突然遇到一个漩涡,如果它加足马力,使船拥有的足够的速度,或许能逃离漩涡。然而时空的漩涡是绝望的,当你进入黑洞极具扭曲的空间会发现视线所及方向都是漩涡的中心,当加足马力的作用反而是让你更靠近时空的漩涡中心。

时空的扭曲扰乱了胶子与夸克间相互作用的路径,即使是强力维持它原本的作用,它也找不到向外的方向,无法为夸克提供“排斥”的能力,因此仅剩的夸克-胶子复合结构也会崩塌,以零维的形式进入中心的“深渊”,这些零维的粒子在中心聚集成一个奇点。也有科学家认为:或许因为角动量它们可能会组成一个一维的圈,无法聚集成一个点,但也并非为一团物质,物质的结构不存在。

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