这个问题很奇怪,但并不是时空通讯的脑洞,而是有一位网友邀请回答,题目是:如果把太阳、木星和地球缩小为直径3厘米的球体,那摸起来是固态还是气态?
虽然有些无厘头,但科普就是这样,答疑解惑是我辈的责任,于是我们一起来讨论一下。
无论是太阳、木星,还是地球,都不可能缩小为一个3厘米的球体,宇宙中还没有有发现有这么大密度的东西存在。但可以肯定的说,如果有这么个东西存在,就既不是固体,也不是气态,是一种特殊状态。如果真有这种天体存在,那是不可以摸的,因为谁摸谁倒霉,还没有靠近这个奇特的物质,就会被强大的引力场撕得粉碎,化为乌有。
根据爱因斯坦引力场论,天文学家卡尔·史瓦西计算出了一个解,就是无论是什么物体,都有一个质量临界点,当物体质量全部压缩进自己的这个临界点里面时,就会成为一个黑洞。这个临界点就是与质量大小成正比的史瓦西半径。
黑洞是什么?就是所有物质都被被压缩进了中心那个奇点,奇点是一个体积无限小、密度无限大、曲率无限大、温度无限高的超时空玩意,不在我们世界算帐,里面的东西是个什么状态,科学界所有理论都无法解释。
在黑洞奇点周围,根据质量大小形成一个事件视界,这个事件视界就是质量的史瓦西半径。
在这个半径内,连光都无法逃逸,也就是说逃逸速度大于光速,到底大多少,不知道。
人们了解黑洞是由于黑洞质量和引力对周边时空天体物质的影响,人眼和探测仪器只能够探测到事件视界以外的状况,通过分析这些状况,来得出这个黑洞的质量大小。
所有黑洞对于人类来说,只开放了质量、电荷、角动量这三个物理量,人们只能够了解这么多。
所以任何物质的压缩都是有限的,而且要压缩到极致时是需要极端巨大的压力的。
太阳的史瓦西半径约3000米,3厘米直径比3000米小多了,因此太阳质量不可能缩小为3厘米直径,当缩小到3000米直径时,就会成为一个黑洞;
木星的史瓦西半径约286厘米,因此也不可能压缩成3厘米的球,当压缩到286厘米时,木星就成为一个黑洞了。
所以以上两个天体都无法描述压缩到3厘米直径的状态,只能够适应黑洞描述。
超新星大爆炸被认为是天体演化中最极端的事件
地球的史瓦西半径约9毫米,因此如果压缩到3厘米直径还不能成为和一个黑洞,那么会成为一个什么样的物质呢?地球的质量为5.965x10^24千克,也就是约60万亿亿吨,平均密度为5507.85kg/m³。那么压缩到3厘米直径会是个什么样子呢?
我们根据球体体积公式计算,3厘米的球体体积是14.14立方厘米,60万亿亿吨的物质压缩成14.14立方厘米,每个立方厘米就相当于4万多亿亿吨。这个密度的物质不要说在地球上没有,在宇宙中也还没又发现(除了黑洞)。
目前已知宇宙中密度最大的特殊物质是中子简并态物质,每立方厘米达到惊人的1~20亿吨,这就是中子星。
中子星是大质量恒星(太阳质量8倍以上的恒星),在演化后期死亡时会发生超新星大爆炸,中心会留下一个致密的核,这个核的质量在太阳质量1.44倍以上时(钱德拉塞卡极限),就会坍缩成一个10公里左右半径的中子星。
当中子星的质量超过3.2个太阳质量(有研究认为不旋转的中子星质量超过2.16个太阳质量)(奥本海默极限),就会继续坍缩成一个黑洞。
还有一种研究认为,宇宙中存在着比中子星密度更大的夸克星,其物质是一种比中子星更极端的夸克简并态物质,但迄今为止,科学界尚未发现这种天体的存在。
地球这个被压缩成每立方厘米4万多亿亿吨密度的物质,如果真的存在,就是介于中子星和黑洞之间的夸克星密度吧?
也有理论认为夸克星实际上比中子星还要大一些,但这一切都还是一个猜想。
当然,这个世界上所有的物质要压缩到自己的临界点之内,都需要极其苛刻的条件,主要是巨大的压力。迄今为止超新星大爆炸被认为是天体演化中最极端的事件,其超高温高压才使宇宙变得多姿多彩。
而太阳、木星、地球这样的天体,完全不具备将自己压缩进史瓦西半径的条件,也不具备将自己压缩到3厘米直径的条件,因此既成不了黑洞,也不会变成一个三厘米的球。
就是这样,欢迎讨论。
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