中子星的秘密 —— 简并压_风闻

原创：牧夫天文

（本文作者为热心读者白鸟瞳女士）

泡利不相容原理是广为人知的物理原理，即在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。而宇宙中有一种天体正是靠泡利不相容原理才得以出现的，这就是中子星，而泡利不相容原理在此处的体现正是简并压。

中子星一般是超新星爆发的产物。我们知道，天体都是靠引力束缚在一起的，而大多数天体未直接坍缩下去的原因，就是因为有某种和引力相抵抗的作用。否则岂不是漫天黑洞了？而中子星这里，由于泡利不相容原理，中子彼此之间不能占据同一个量子态，就无形间产生了一种压力来抵抗引力，这就是所谓的简并压。

著名理论物理学家沃尔夫冈·泡利

那么简并压到底属于哪种基本作用力呢？

为了解决该问题，有人提出了一个理想实验：设想一个装有气体的容器，容器壁会受到大量气体粒子的撞击而感受到一个压强。如果气体是由经典粒子组成的，那么在气体温度趋于绝对零度的时候，所有气体的动量都将变为零而使得压强减小时。但是如果这是个费米气体，情况会很不一样。泡利不相容原理告诉我们，在同一个无穷小的格子中的所有粒子，不可能处于动量的零基态。那么势必有大量的费米气体粒子即便在温度趋于绝对零度的情况下，仍然有着不为零的动量。这些粒子撞击容器壁产生的压强就是简并压。这个压强的产生与粒子之间有何种作用力没有关系，也没有引入新的粒子间的相互作用，完全是由于零动量的像空间被占满的情况下，其余粒子被泡利不相容原理排挤到动量不为零的相空间导致的。

不过这个例子的缺点在于，这个器壁所提供的压力可以直接由压强兑换。而之前的例子中，尽管中微子可以有很大压强，但是器壁是没有的。想探测压力需要额外的手段，比如借助弱相互作用，尽管压力微乎其微。

神秘的中子星

事实上，换个角度想，引力对中子星的简并压有非常大的贡献，因为这团中子正是引力束缚起来的，中子星内部的中子的态分布和引力有关系。

而著名理论物理学家安德森有个观点，即层展现象，认为不同尺度下，有不同的规律，不能简单用还原论的方法给出。也就是说，简并压其实是较复杂的，并不能简单归类为某种基本相互作用。

『天文时刻』 牧夫出品

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