宇宙膨胀的速度是多少和光速谁快(把整个宇宙压缩成一个原子核密度)

有人异想天开,如果把宇宙所有原子的电子都压缩到原子核一起,不留空隙会有多大?这实际上就是把宇宙压缩成原子核密度。

这个问题看起来很复杂,但实际上很简单,因为在我们宇宙已经有这样的物质了,只要我们知道了宇宙的质量,掰一下指头就出来了。

宇宙膨胀的速度是多少和光速谁快(把整个宇宙压缩成一个原子核密度)(1)

原子是一个虚胖子,某种意义上来说地球物质都是疏松的。

大家知道,我们地球上所有的物体都是由原子组成的,而原子是由原子核和核外电子组成的。现代研究认为,原子核占有了整个原子99.96%的质量,但在原子里占有的体积却很小。小到什么程度呢?原子核在原子中心,被一个巨大的电子外壳包裹着。

电子很小,量子力学认为电子以电子云的方式围绕着核子运行,电子与原子核之间是被电磁作用力约束,一般情况下,既无法离原子核远去,也无法掉落到原子核上。当电子得到相应能量时才会个别脱离原子核控制,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,就是100亿分之一米或0.1纳米;原子核的直径为10^-15m,也就是千万亿分之一米或者1飞米,是原子直径的10万分之一。这样原子核的体积就约原子的1000万亿分之一,可以认为,如果物质是以原子核的形式存在的话,应该是我们世界能够认识物质的极限了。

这样说来,我们地球上所有的物质是由一个个原子组成的,但这个原子是被电子外壳包裹着的虚空状态,因此所有的物质都是疏松的。有没有办法将物质压实成为密实的物质呢?

宇宙膨胀的速度是多少和光速谁快(把整个宇宙压缩成一个原子核密度)(2)

当然有,但这种力量在地球上是没有办法的。

因为要把一个原子压碎需要极端的压力,只有太空中巨大恒星才有这种压力。我们太阳这样质量的恒星是没有这个能力的,它在演化后期,中心核聚变停止后,巨大的恒星质量引力压只可以把核心物质压成一个白矮星,也就是电子简并态星球。

组成白矮星的物质虽然原子被压变形了,部分电子被压跑了成为自由电子,但依然漂浮在原子核的周围,原子核并没有赤裸裸的靠在一起,而是懒洋洋的漂浮在自由电子组成的海洋里,这种物质就还没有达到原子核的密度,只能达到每立方厘米约有数吨的质量。

只有更大的恒星或者白矮星通过吸积达到一个质量阈值,也就是钱德拉塞卡极限,其电子简并压就无法支撑这种状态了,就会迅速坍缩成一个中子星。

宇宙膨胀的速度是多少和光速谁快(把整个宇宙压缩成一个原子核密度)(3)

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。

这种恒星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一个中子星;而白矮星通过吸积,质量达到太阳的1.44倍,就是钱德拉塞卡极限,就也会坍缩成一个中子星。

中子星的中心压力达到10^28个地球海平面大气压,是地球地心压力300万个大气压的3x10^21倍,也就是30万亿亿倍;是太阳中心3000亿个大气压的3x10^16倍,也就是3亿亿倍。

在这样强大的压力下,电子简并压被压垮,以中子简并压的形式支撑着星球不垮塌。这时候,电子全部被压缩进了原子核里面,由于电子是带负电荷,质子带正电荷,电子被压缩进了原子核与质子中和成了中子,中子是不带电荷的粒子,这样整个星球就成为由中子组成的物质,这种物质的密度与原子核相当。

到此为止,虽然物质已经没有我们认知的118种元素性质了,但物质还是以一个我们可认知的形态保持着。

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泡利不相容原理是这种特殊密度物质存在的依据。

不管是白矮星的电子简并态,还是中子星的中子简并态,都是遵循泡利不相容原理而存在的物质。泡利不相容原理认为,费米子粒子都有相互排斥的特性,就像一群小孩子玩耍,相互都有不愿意让同伴靠近的性质,这样粒子之间就会产生一种压力,叫量子简并压。这种压力会抵抗住巨大的引力压,让物质保持一定的形态。

不同粒子之间简并压层次是不一样的,电子简并压与中子简并压抵御引力压的能力就相差甚远。当压力进一步加大时,物质就会向更高一级简并压坍缩。中子简并压的极限叫奥本海默极限,就是一个典型不旋转中子星质量达到2.06个太阳质量时,中子简并压就垮塌,无法支撑自身引力压,继续坍缩成一个黑洞。

但不旋转的中子星似乎并不存在,至少迄今并没有发现,因此对于一个旋转的中子星奥本海默极限并没有严格界限,这或许与中子星的旋转速度有关。一般认为,旋转的中子星奥本海默极限在3~3.2个太阳质量之间。

中子星就是以原子核形态存在的物质,如果整个宇宙压缩成原子核物质,那么有多大呢?

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首先要确定的是宇宙有多大。

事实上,我们现在并不知道宇宙到底有多大,因为宇宙有两个视界我们无法进行观测。一个是过去视界,就是宇宙大爆炸后38万年间对电磁波是不透明的,人类无法了解这部分宇宙;还有宇宙膨胀整体叠加速度很快,远超过光速,因此有一个未来视界,也就是在遥远可观测宇宙边际,那里的星光永远也不会传到我们这里,人类也无法知晓这一块宇宙有多大。

现在科学界从理论上得出宇宙的可观测半径大约有465亿光年,我们只能够来计算一下这部分宇宙有多大。如果把这部分宇宙比喻为一个虚空的原子,现在把它压缩成一个原子核,那么就是直径缩小10万倍,也就是半径46.5万光年。

这种简单算法似乎不能满足一些人的要求,因为它们要的是电子挤在原子核一起的效果。

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那么就需要按质量来计算,宇宙的质量有多大呢?

实际上,宇宙质量也没有确切的数据,我们只能估算一下。我们银河系质量约2000亿个太阳质量,这样就约为4x10^41kg。宇宙中大致存在1万亿~10万亿个星系,如果按照平均1万亿个银河系计算,质量约为4x10^53kg。

中子星的密度相当于原子核的密度,约1亿~20亿吨/cm^3。我们现在按照中子星密度来计算,将密度折中一下,按10亿吨/cm^3来计算,可以得出宇宙体积为4x10^41cm^3,折合成立方公里,就是4x10^26km^3。

如果这些体积是一个球,那就是约4.57亿千米半径的一个球。

两种算法得出的结果天壤之别,这是因为一种是把虚空缩小来计算,另一种是把所有的物质集中起来压缩计算,得出的结果当然完全不一样。

如果宇宙是10亿个星系,则宇宙总质量为4x10^54kg,压缩成中子星就是一个9.85亿千米的球。

但这只是宇宙可见物质的质量。现代研究认为,宇宙可见物质质量只占4.9%,暗物质和暗能量占有宇宙总量的95.1%,这样我们的宇宙质量就加大了约19.2倍。如果还按照1万亿个星系计算,把这部分质量加进去,宇宙总质量就有7.68x10^54kg,这个球半径就有约12.2亿千米。

宇宙膨胀的速度是多少和光速谁快(把整个宇宙压缩成一个原子核密度)(7)

这种压缩太恐怖了吧?

一个465亿光年半径的可观测宇宙,压缩成中子星只有10亿千米左右的一个球。在太阳系,木星到太阳平均距离约7.78万千米,土星到太阳平均距离约14.3亿千米,也就是说,这个被压缩的宇宙只有太阳系木星轨道左右大小。

而距离我们不到1万光年的盾牌座uy,是一颗演化到末期的红超巨星,这颗恒星的半径就有约12亿千米,把暗物质暗能量都算上的宇宙压缩成中子星大致就是盾牌座uy这么大了。

当然这种球是不可能真正存在的,这里只是一个游戏而已,原因就不解释了。

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