在我们的宇宙中存在着诸多性质极端的天体,是生活在一个温度、密度、电磁场强度等环境参数均只在狭小温和范围内变动的、距离太阳第三远的一块石头上的人类很难想象的。例如黑洞的存在就曾被科学家们广泛质疑,认为其只是在不现实的极度对称情况下广义相对论的病态解,在宇宙中并无法真实生成。任何一个天体要能够在太空中稳定存在,必须要有由内向外的压力抵抗向内的引力,撑住星体内的物质阻止它们全部跌落到恒星中心,坍缩成一个奇点。在普通的恒星里,这个压力是由核聚变反应提供的。较轻的原子核结合逐渐生成越来越重的原子核,并释放出能量,造成气体热压力(就如加热一个封了口的瓶子中的气体会增加压力,导致瓶子炸裂 -- 请勿模仿)和光压(光子的动量传递给与其作用的原子等;质量越大的恒星中光压相对于气体热压力越重要)。但这个过程在较小恒星(如我们的太阳)中会由于核心温度过低无法聚合碳和氧而最终停滞在这些元素上。外面的包层剥离后留在中间的、没有再继续核聚变的碳氧核就是前面提到的白矮星。没有了聚变提供的压力,白矮星必须依靠一种叫做简并压的量子效应撑住自己。在星体中,电子可以占据的能量层级像梯子一样排开,而电子作为费米子有相互间的排他性(泡利不相容原理)使得梯子的每一层只能容纳两个电子。这意味着电子们不能全挤到最下面能量最低的一层,必须占据一些上层。如果白矮星的体积遭到压缩,能级梯子层间的距离就会增加,上层的能量、进而所有电子的总能量随之提高。换言之,要想压缩白矮星,必须有外力使劲对其做功。同时要有一个星内向外的压力与这个外力对抗,这样外力才能使得上劲。这个压力就是简并压。上面提到的钱德拉塞卡的贡献就是算出电子简并压最多能支持约1.4倍太阳质量的白矮星。但是宇宙里存在质量很大的恒星(我们特别关注约8到25倍太阳质量的恒星;质量更大的恒星死后将形成黑洞),能一直聚变到铁(见图1),但再重的元素由聚变形成时就需要吸热而不是放热了。所以这些恒星最中间形成的铁核不再有聚变释能提供支撑,需要上面讲的电子简并压来协助支撑。但是这类恒星中间极大的压力会促使电子与原子核中的质子结合生成中子,造成电子数量损失,捣乱简并压工作机制,导致铁核对抗不住引力开始坍缩【2】。铁核外面较轻元素组成的包层也随之以自由落体样向中心跌落。当铁核体积减小到一定程度时,所有的原子核都变成脸贴脸,暨中子(和一些剩余质子)紧密排列,使得整个巨大“铁”核(此时当然已经没有独立铁原子核了)的密度甚至超过正常原子核的密度。这时,中子(和质子)这些核子之间的强相互作用力会变成斥力,铁核又能被撑住了。更甚之,坍缩过程中集聚的巨大动能最初使铁核缩至小于此平衡体积,随后再反弹,并与外面还在下落的较轻元素包层相撞,激发出外行的冲击波,将恒星外层物质抛离(远处的观测者此时将看到恒星爆炸了,暨超新星暴发)。留下的那个重新被撑住的核就形成了中子星。它的最外层有一个类似铁晶体的极其光滑的壳;更靠里面的散落中子形成超流体(无粘滞),剩余的质子形成超导体(无电阻);而最核心、压力最大处的物态我们并不知道,有可能是组成中子和质子的夸克都被它们更重的亲戚替代,又或者中子和质子干脆都被“挤碎”了,由其中散落出来的夸克直接形成夸克-胶子粥。其一是那个炸开恒星的冲击波。它在向外传播过程中会打碎仍在下落的那些物质的原子核,继而损失能量。所以冲击波会丧失冲劲而呆滞。如何将此冲击波重新激活,成功炸出超新星是现今数值天体物理想要解决的核心问题之一。主流的想法是在“铁”核重新被撑住之初释放的巨量中微子可以赋能冲击波,催其复活,但这个过程需要在冲击波后方形成合适的湍流以协助俘获中微子(中微子很难与物质反应,极易不传递能量给冲击波就自己直接跑掉了),而湍流的数值模拟极其复杂,对模拟的精度和模拟中假设的对称性等尤其敏感。 其二是炸出的物质。它包含了元素周期表中众多较轻的、生命所必需的元素(见图2),所以才有了我们都是星尘这样的说法。而较重的元素可以由“快速中子俘获”过程产生,暨在中子极丰富的环境中多个中子很快的进入原子核,迅速增加其核子数量。之后通过弱相互作用,部分中子衰变成质子,变胖的原子核也随之蜕变成还是很胖但稳定的同位素。这个过程早前被认为有可能主要在上述超新星暴发的环境中展开,但后来尤其是电磁与引力波协同观测的证据显示更适宜它的环境也许是由两个早已形成的、处于双星系统中的中子星最终相互撞击创造的,因为其间会抛掷出大量自由中子,中子星更能展示给我们超强电磁场的一些特性。死后变成中子星的那个体积巨大的原始母星本身是拥有磁场的,而磁通量在超新星暴发过程中近似守恒,所以最终浓缩在体积很小(半径仅十公里左右)的中子星周围的磁场密度(场强度)极大,能达到上亿特斯拉左右。中子星外面这样强大的磁场会在动态演化(例如由中子星转动造成)时制造感生电场,而电场继而加速带电粒子至极高能量并发射同样高能的光子。当光子能量超过一对正负电子(正电子是普通电子的反物质镜像)的总静质量时便会通过量子电动力学过程制造这些带电粒子(这是一个能量转化为质量的过程;新生的带电粒子又再被电场加速后发射光子,周而复始,像雪崩一样使得中子星周边被由电子和其反物质组成的等离子体充满。

这组长图,大约是4期《混乱博物馆》的体量,但我用了不一样的体裁,把它们做成了长图,联合起来讲述了这样一个故事:

已知的宇宙里存在着四种交换作用力:强核力、弱核力、电磁力、万有引力,我们将它们合称“宇宙基本力”,各种基本粒子在它们的影响下发生千变万化的运动,就构成了我们生活的整个世界。

但在这之中,只有万有引力可以作用于一切粒子,作用于一切存在,它以不可思议的广延试图将万物凝聚在一起,坍缩成一个没有体积的质点。

好在绝大多数情况下,万有引力又是最弱的基本力,从一个原子到漫天星辰,万物能以千变万化的方式对抗它凝聚一切的企图。

所以,这是一个对抗引力的故事。

精选配体,构筑适当的团簇间/内弱相互作用力,生长出高质量的单晶,成功解析出Au144(SR)60的团簇结构, 金子在通常情况下是黄色的,150多年前,英国著名科学家法拉第却合成了鲜艳的酒红色金溶胶,金原子与金纳晶间的金属纳米团簇为理解这些问题提供了理想材料,特别是处于从纳米团簇向纳米晶转变“临界尺寸”附近的纳米团簇(纳米晶),更受到了特别青睐。研究人员利用单晶X-射线衍射解出了Au144(SR)60的结构,证实了该团簇由三壳层(Au12-Au42-Au60)的金属内核和表面30个SR-Au-SR的“订书钉”结构单元构成,并揭示出团簇间/内存在弱相互作用力,为他们提出的团簇间/内弱相互作用力在晶体生长过程中起重要作用的观点提供了有力证据,通过变温单晶X-射线衍射发现,Au144(SR)60团簇中不同长度的金-金键具有不同的变温伸缩性,其中键长为2.88埃的金-金键,相对于其它键长的金-金键来说,具有更好的热延展性,从化学键的角度解释了为什么金属相对于其它常见固体具有更好的热延展性。


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