物理学允许“雷神之锤”来自中子星吗？

物理学中最有趣、最神奇的实验往往不具有可操作性，有很多的实验只能在头脑里进行，我们称之为：思想实验。尽管我们在现实中受到了很多的限制，无法对宇宙中任何物体进行细致入微的研究、解剖和探查，但我们对物质以各种形式的存在，及其规律的理解远超于目前的实验水平。

例如，我们在理论上知道中子星的形成过程，也知道它的一些性质！现在的问题是：如果我们取一颗中子星（假设是一立方厘米）的一部分，然后把它拉离中子星，会发生什么？虽然我们无法这样做，但理论应该会告诉我们结果。

中子星到底是什么?

中子星，顾名思义，它是一颗由中子组成的星球，其物质通过强烈的引力结合在一起，质量大约与我们的太阳类似。这里就有个问题，中子不应该存在很长的时间，因为它会衰变！现在我们选择一些任何的粒子，然后将其隔离开来，观察会发生什么？质子、中子和电子这三种粒子构成了我们所知的大多数普通物质，但它们的结果却大不相同。

如果上图中的质子和中子直径为10厘米，那么夸克和电子的尺寸将小于0.1毫米，整个原子的直径约为10千米。

电子属于不可分的基本粒子，是带电荷的质量最轻的粒子。据我们所知，电子完全稳定，没有可能的衰变的途径。

质子是由夸克和胶子组成的复合粒子。理论（大统一理论）上讲，质子可能会衰变，所以我们一直在寻找其衰变的证据。方法其实很简单：建造一个装满单个质子的巨型容器，里面有10^32个质子，然后等上一年，看看其中是否有一个质子会衰变，如果没有，其半衰期至少是10^32年。经过无数次这样的实验，并没有发现衰变的结果，因此我们现在已经确定，如果质子真的不稳定，它的半衰期至少是10^35年（科学家根据实验和理论将质子半衰期限制在这个时间内），或者是现在宇宙年龄的10^25倍。因此据我们所知，质子也是完全稳定的。

但中子不是这样！观察一个自由的，没有束缚的中子，它很可能在15分钟内消失，衰变为质子，电子和反中微子。(它的半衰期更短：大约10分钟。)

那么，怎么可能有一个像中子星这样的实体呢？

自由中子和束缚中子之间是有区别的，这也是为什么许多元素和同位素不会衰变的原因：当原子核结合在一起时，原子核里有一定量的结合能足够保持中子的稳定！

对于元素来说，某些原子核的构型比其他的更稳定。目前据我们所知，有超过254种可能的原子核构型是完全稳定的，应该不会经历放射性衰变。（但也许在足够长的时间尺度上，其中很多也会变得不稳定，只是我们还没有观察到而已。）但是稳定的原子核没有一个是很重的，或者由很多的中子组成。最重的稳定元素是什么？那是铅，82号元素，有四种已知的稳定同位素：Pb-204、Pb-206、Pb-207和Pb-208。

在所有已知的元素中，有82个质子和126个中子的原子核是最重的稳定原子核。

但以上是假设核力是把中子绑在了一起，才不会衰变。就中子星而言，还有别的东西在起作用。为了理解其发生了什么，让我们再来看看中子星是如何产生的。

在质量最大的恒星中（轻星团中最亮、最蓝的恒星）它们的核心将氢聚变成氦，所有的恒心都会经历这个过程。然而，与类太阳恒星不同的是，它们不需要数十亿年的时间来消耗它们的燃料，而只需几百万年（甚至更少）的时间其氢燃料就会耗尽，因为大质量恒星内部极高的温度和密度导致了非常迅速的聚变反应。

当它们的核心耗尽氢燃料时，内部开始收缩，导致温度升高。当它达到一定的临界温度时，核心中的氦开始聚变成碳，导致更大的能量释放率。

仅仅几千年后，氦燃料就会耗尽，内部会进一步坍塌，温度升高到太阳核心永远无法达到的温度。在这种极端的条件下，核心的碳开始聚变成氧，然后在类似的连续反应中，氧聚变成硅和硫，硅聚变成铁，接下来，就出现问题了。

上图可以看到：铁是最稳定的元素。它的原子核中有26个质子和30个中子，每核子的结合能最高，这意味着任何其他的构型都不如它稳定。因此比铁更重的元素，并不通过将铁和其他元素融合形成的。相反，当核心充满铁时，不再有燃料可以燃烧，核心开始因引力而收缩。随着时间的推移核心变得越来越热，密度越来越大。

最后，达到了一个阈值，电子和质子开始融合在一起，产生中子、中微子和巨大的能量！

这种失控的反应产生的能量如此之大，导致了整个恒星的外层在超新星爆发中被摧毁，而电子和质子融合成中子和中微子只需要几秒钟的时间。超新星爆发后，虽然外层需要几周到几个月的时间才能被吹走，但核心在巨大的影响下凝结成一个中子球，这种影响不是来自核力，而是来自重力。中子星的核心大约相当于一个太阳的质量，被压缩成半径只有几公里的体积。它的密度约为每立方米10^19千克，是宇宙中已知的密度最大的物理三维物体。

为了使中子在放射性衰变中保持稳定，它需要有比中子和质子的质量差更大的结合能，大约是1mev，大约是中子质量的0.1%。虽然核心的中子很容易被束缚，但表面的中子是最脆弱的。我们假设一颗中子星的质量等于太阳的质量，半径只有3公里，一个被束缚在其表面的中子，其结合能约为400兆伏，足以防止其衰变。

如果我们从中子星中取出一立方厘米的物质会怎样？我们会得到什么呢？取出中子星物质，引力结合会大大减小，这远远不足以阻止中子衰变！实际上，我们在宇宙中也遇到了类似的情况：中子星与中子星相撞。当大部分物质可能合并形成黑洞时，约有3%的质量被抛出。这些被抛出的碎片并没有产生任何奇异的物质，它们会以惊人的速度衰变，产生元素周期表中最那些最重的元素。如果你想知道地球上大部分像黄金这样的元素是从哪里来的，答案是：中子星的合并！

因此，如果我们取出的中子星物质质量太小，它只会在短时间内碎裂并衰变为稳定（或长寿）的元素和元素周期表的同位素，其过程最多在一个中子寿命的时间尺度上，也可能在更短的时间尺度上。如果我们想获得足够大的质量来保持中子在表面的稳定呢？也就是说我们取出的物质稳定不衰变，它的半径应该在200米左右。半径200米的物质与土星的质量相当，但这是保持稳定所需要的下限。如果质量更小，中子球就会衰变。所以，电影里说：强大的雷神之锤是取自中子星的物质锻造的……，看看它的尺寸！

物理学根本不允许这样这样的中子锤存在。因为它太小了，表面的引力结合能太小，只会发生灾难性地放射性衰变！

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