中子星的秘密 —— 簡併壓_風聞

原創：牧夫天文

（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？而中子星這裏，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。

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，那麼在氣體温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温度趨於絕對零度的情況下，仍然有着不為零的動量。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兑換。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。

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。也就是説，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。

『天文時刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn