原子核的密度

有些人是异想天开。如果宇宙中所有原子的电子都被压缩到原子核中，那么没有空能隙会有多大？这实际上是把宇宙压缩成核密度。

这个问题看起来很复杂，其实很简单，因为我们的宇宙中存在这样一种物质。只要知道宇宙的质量，就可以弹指一挥间就出来了。

原子是一个虚胖子，某种意义上来说地球物质都是疏松的。

众所周知，我们地球上的一切物体都是由原子构成的，而原子又是由原子核和核外电子构成的。根据现代研究，原子核占据了整个原子质量的99.96%，但它在原子中的体积却很小。有多小？原子核在原子的中心，被一个巨大的电子层包围着。

电子非常小。量子力学认为电子以电子云的形式围绕原子核运行，电子和原子核受到电磁力的约束。正常情况下，它们既不能远离原子核，也不能落在原子核上。当电子获得相应的能量后，就会脱离原子核的控制，使这个原子成为离子。

我们今天不讨论这个，只讨论原子大小与原子核的比例。

原子的直径约为10^-10m，即十亿分之一米或0.1纳米。原子核的直径是10^-15m，即万亿分之一米或一毫微微米，是原子直径的十分之一。这样，原子核的体积大约是原子的1000万亿倍。可以认为，如果物质以原子核的形式存在，应该是我们这个世界能够理解物质的极限。

这样，我们地球上所有的物质都是由原子组成的，但这个原子是被电子层包裹的虚空态，所以所有的物质都是松散的。有什么办法可以把一种物质压实成致密的物质？

当然有，但这种力量在地球上是没有办法的。

因为压碎一个原子需要极大的压力，只有Tai 空中的一颗巨星才有这个压力。一颗质量相当于我们太阳的恒星没有这种能力。在演化后期，核聚变停止后，恒星质量的巨大引力压力只能将核心物质压成白矮星，即电子简并行星。

虽然构成白矮星的物质的原子发生了形变，一些电子被挤走成为自由电子，但它们仍然漂浮在原子核周围。原子核不是裸在一起，而是懒洋洋地漂浮在自由电子的海洋里。这种物质还没有达到原子核的密度，只能达到每立方厘米几吨的质量。

只有当更大的恒星或白矮星通过吸积达到一个质量阈值，即钱德拉塞卡极限，其电子简并压力无法支持这种状态时，它才会迅速坍缩成中子星。

中子星就是电子与原子核挤在了一起，成为原子核密度的物质状态。

这颗恒星的质量必须达到太阳的8倍以上。演化后期中心停止核聚变后，会把核心物质压缩成中子星。通过吸积，白矮星达到太阳质量的1.44倍，也就是钱德拉塞卡极限，它也会坍缩成中子星。

中子星的中心压力在地球海平面达到10.28个大气压，是地球地心压力300万个大气压的3×10^21倍，即3万亿倍。它是太阳中心3000亿个大气的3×10^16倍，也就是3亿倍。

在如此强大的压力下，电子简并压被压碎，行星由中子简并压支撑。这时，所有的电子都被压缩到原子核中。因为电子带负电，质子带正电，电子被压缩到原子核中，和质子中和成中子，中子是不带电的粒子，这样整个星球就变成了由中子组成的物质，这种物质的密度和原子核相当。

到目前为止，尽管物质已经失去了我们所知道的118种元素的属性，但它仍然保持着可识别的形式。

泡利不相容原理是这种特殊密度物质存在的依据。

白矮星的电子简并态和中子星的中子简并态都是根据泡利不相容原理存在的物质。泡利不相容原理认为费米子粒子是互斥的，就像一群在玩耍的孩子，他们都不愿意让同伴靠近，所以粒子之间会有一种压力，叫做量子简并压力。这种压力会抵抗巨大的重力压力，使物质保持一定的形状。

不同粒子的简并压力水平不同，所以电子简并压力和中子简并压力抵抗引力压力的能力相差甚远。当压力进一步增加时，物质会坍缩到更高级别的简并压力。中子简并压力的极限称为奥本海默·极限，即当一颗典型的不旋转中子星的质量达到2.06个太阳质量时，中子简并压力坍缩，无法支撑自身的引力压力，继续坍缩成黑洞。

但是非旋转中子星似乎并不存在，至少目前还没有发现，所以旋转中子星的奥本海默·极限并没有严格的限制，这可能与中子星的旋转速度有关。一般认为旋转中子星奥本海默的极限在3到3.2个太阳质量之间。

中子星是一种以原子核形式存在的物质。如果把整个宇宙压缩成一个核物质，它有多大？

首先要确定的是宇宙有多大。

其实我们现在不知道宇宙有多大，因为宇宙有两个视界，我们观测不到。一个是过去视界，即BIGBANG在最近38万年对电磁波不透明，人类无法理解宇宙的这一部分；而且宇宙膨胀的整体叠加速度非常快，远远超过光速，所以有一个未来视界，就是在哈勃体积的远边缘，那里的星光永远也到不了我们这里，人类无法知道这个宇宙有多大。

现在科学界从理论上得出结论，宇宙的可观测半径约为465亿光年，我们只能计算出这部分宇宙有多大。如果我们把宇宙的这一部分比作一个假想的空原子，现在把它压缩成一个原子核，那么直径就会缩小10万倍，也就是半径为46.5万光年。

这种简单的算法似乎并不符合某些人的要求，因为他们想要的是电子在原子核内挤在一起的效果。

那么就需要按质量来计算，宇宙的质量有多大呢？

其实宇宙的质量没有确切的数据，只能估计。我们银河系的质量大约是2000亿个太阳质量，大约是4×10^41kg.宇宙中大约有1万亿到10万亿个星系。如果星系的平均数量是1万亿，质量大约是4×10^53kg.

中子星的密度与原子核相当，约为1000-20亿吨/立方厘米。我们现在按照中子星的密度计算，折中密度，按照10亿吨/立方厘米计算，可以得到宇宙的体积是4×10^41cm^3，换算成平方公里就是4×10^26km^3。

如果这些体积是一个球，那就是一个半径约为4.57亿公里的球。

两种算法的结果差别很大，因为一种是还原虚数空来计算，一种是浓缩所有物质进行压缩计算，结果当然完全不同。

如果宇宙是十亿个星系，宇宙的总质量就是4×10^54kg，压缩成中子星就是一个9.85亿公里的球。

但这只是宇宙中可见物质的质量。根据现代研究，宇宙中可见物质的质量只占4.9%，暗物质和暗能量占整个宇宙的95.1%，这样我们宇宙的质量增加了约19.2倍。如果按照1万亿个星系计算，加上这部分质量，宇宙的总质量就是7.68×10^54kg，这个球体的半径大约是12.2亿公里。

这种压缩太恐怖了吧？

一个半径为465亿光年的哈勃体积被压缩成一个只有10亿公里左右中子星的球。在太阳系中，木星到太阳的平均距离约为77800公里，土星到太阳的平均距离约为14.3亿公里。也就是说，这个被压缩的宇宙大约只有太阳系中木星轨道的大小。

距离我们不到1万光年的盾形星座uy，是一颗已经演化到尽头的红色超巨星。这颗恒星的半径约为12亿公里。包含暗物质和暗能量的宇宙被压缩成一颗中子星，大小大致相当于盾星座uy。

当然，这种球不可能真的存在。这里只是个游戏，原因就不解释了。

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