关注风云之声 提升思维层次

导读

最后的最后，把理论上无法压缩的中子压缩成了一个“奇点”，终于修炼到了巅峰，成了广为人知的“黑洞”！

本文首发于2019年4月21日

一张黑洞照片，让很多读者纷纷来信询问。无奈，翻出一篇上古时期发的青涩拙文，修缮一番，滥竽充个数。黑洞，作为一个“科学无法解释”的科学现象，自然不会有很多明确的信息，一张黑洞照片，丝毫改变不了这样的窘境。所以，任凭你胡侃海吹，也不会有专家跳出来说“肯定不对”。黑洞照片，就是把大伙的射电望远镜都对着一个方向接收电磁波，然后把可见光波段截取出来形成一个照片，对学术来说是很大的突破，但对公众来说，无论过程还是结果都无聊的很。咱吃瓜群众要的是如何栩栩如生的吹牛，是吧？本僧带大伙从头走一个。

• 大爆炸

姑且认为宇宙是大爆炸产生的。

很久很久以前，有个“奇怪的点”，简称“奇点”，突然爆炸了！炸出了一堆基本粒子，如质子、电子、光子、中微子等。

随后，物理定律开工干活，基本粒子纷纷相互结合，形成原子。

三四个质子结合，不如两两结合或单干更方便，所以宇宙中绝大部分原子是氢原子和氦原子，两者最终形成氢气和氦气。而氢原子更是只有一个质子，所以占了绝大部分中的大部分。

• 气团

在万有引力作用下，弥散在宇宙中的氢气相互吸引，拉帮结派，逐渐成团。质量越大引力就越大，马太效应很快出现，大气团越吸越多，不断吞噬周边的氢气和小气团。

一顿混战，直至气团周边啥也不剩，江湖纷争告一段落，最后形成了一大团一大团的氢气团。

• 恒星

这些气团纯粹靠引力聚在一起，而引力大小与质量、距离有关。

气团吞噬的氢气越多，质量就越大；质量越大，引力就越大；引力越大，气团体积就越被压缩；体积越压缩，氢气分子之间的距离就越近；距离越近，引力就越大。

于是，气团中心随着体积不断压缩，受到的压力越来越大，一直增加到能把两个氢原子核拧到一起为止。

也不知是谁定下的规定，两个氢原子核拧到一起就会释放出巨大的能量，人类称之“聚变反应”，这也是氢弹的原理。聚变发光又发热，发的光就是我们看到的光，发的热会使气体膨胀。

气团不断被压缩，参与聚变爆炸的原子就不断增多，膨胀的力量随之增大，直至与引力达成平衡，维持着气团的结构，不膨胀也不压缩。

这种靠不停爆炸维持平衡的气团，就是：恒星。

还有一些修炼入门失败的“准恒星”，引力刚好可以把中心少量的原子核拧到一起，但聚变反应不剧烈，不足以让整个星体燃烧，不像恒星那么耀眼。这种失败的恒星，就是：褐矮星。

还有更失败的，前期躲过了大气团吞噬幸存下来的小气团，引力拧不动原子核，不会发光发热，便成了：气态行星。

• 红巨星

恒星依靠聚变爆炸与引力抗衡，注定是一场徒劳。因为恒星质量不变，引力就不变，但聚变却不断消耗能量。

又不知是谁定下的规定，铁以下的原子核拧到一起会释放能量，铁以上的原子核拧到一起要消耗能量。反之，铁以上的原子核分裂会释放能量，铁以下的原子核分裂要消耗能量。这就是“聚变”和“裂变”的概念。

所以，引力把氢(1个质子)拧成氦(2个质子)，再往下拧成锂(3个质子)、碳(6个质子)，一直拧到铁(26个质子)为止，再拧就是亏本买卖，不可持续了，因此这场较量，笑到最后的必然是引力。

而实际上，恒星根本没机会从容把氢拧成铁。拧氦比拧氢要费劲，当恒星内部的氢全被拧成了氦之后，中心压力还不足以拧得动氦，所以恒星就失去了聚变爆炸的威力，于是引力就继续压缩恒星体积，一直压到氦聚变出手为止。

不幸的是，氦聚变出手非常突然，瞬间释放的能量直接把引力掀翻在地，导致恒星快速膨胀，这货有个形象的名字：氦闪。

其实在恒星体积缩小时，外层的氢也会参与聚变，而内部的氦聚变开始后又特别剧烈，加上体积急剧变化，整个过程异常复杂！

这种火药桶似的天体，就是：红巨星。

• 超新星爆炸

大块头的红巨星很少自然死亡，因为红巨星内部反应实在太太太复杂，聚变生成的各种新元素你来我往，原子核拧到后来很难与引力维持平衡！

有时high过了头，一言不合就掀桌子，这可是宇宙间最牛逼的爆炸，没有之一！

这就是大名鼎鼎的：超新星爆炸。

根据不知谁定下的规定，只要能量足够就能拧原子核，这种剧烈爆炸的局部能量非常非常巨大，可以拧出各种超过铁的大号原子核，甚至是铀这种92个质子的怪胎。

如果没有超新星爆炸，咱们可能就只有氢氦锂碳氧等寥寥几种元素了，能不能诞生生命都是两说的事情。

又不知是谁定下的规定，量子力学说，好不容易拧到一起的原子核，都有分裂的概率。原子核越大越容易分裂，其中铀(92个质子)以上的元素极易分裂，地球上几乎不存在，只有人造，统称“超铀元素”。

钋(84个质子)以上的元素分裂速度稍慢些，能量以射线的形式释放，就是我们熟知的“放射性元素”。

钋以下的元素分裂速度就非常慢了，慢到可以用宇宙时间来衡量，以地球的眼光看，当然就是稳定元素了。

所谓的元素，就是基本粒子在这场江湖纷争中的分分合合。

• 行星

江湖在继续。

恒星通过超新星爆炸把这些年攒的家当全扔了出去，变成了弥散的宇宙尘埃，这些尘埃不像刚开始只有轻原子，而是含有各种轻重元素。

重元素可以结合形成固体，于是，江湖就不再是原来那个江湖了。

当然，一次超新星爆炸不足以产生足够的尘埃，此时用一将功成万骨枯来形容，再合适不过。

尘埃开始了新一轮的“拉帮结派”过程，因为可以形成固体，就不需要仅仅依靠引力聚在一起。换句话说，能以小块形式存在，所以，这些尘埃聚成了一颗颗小小的固体球。

这种很小很小的固体球，就是多数“行星”的来源。

• 白矮星

大块头红巨星爆炸后或许还能剩下点内核，这种涅盘重生的内核往往修炼天赋极高，还有那些侥幸没爆炸的红巨星，晋级下一轮，继续修炼。

拧原子核是越到后来越费劲，恒星氦闪之后，内核把氦元素拧成了碳元素，偶尔还能拧出氧、氖或镁，通常到了这会，引力就不足以继续拧原子核了。

然后，依靠拧原子核的聚变威力与引力抗衡的时代一去不返，没有了聚变能量，引力又开始逞凶，继续压缩，一直压到“电子”有意见为止。电子也是有脾气的，聚变退休后，电子就扛起了与引力对抗的重担。

又不知是谁定下的规定，相同的电子是不能待一起的，这种压力叫“电子简并压”。但引力非要把电子摁到一起，于是简并压随着压缩不断增大，一直增大到与引力平衡为止，此时原子核已经被压缩的很致密了，密度达到10吨/立方厘米。

这就是：白矮星。

白矮星被压缩得与地球一般大

• 中子星

小块头的白矮星没了聚变，若再没有外界的物质或能量输入，就逐渐冷却不再辐射，各种反应也停止了，变成一颗死星。

这是很多恒星的宿命：黑矮星。

不过，即便宇宙中第一颗恒星最终演化成了白矮星，到今天为止，仍没有彻底冷却变成死星，所以黑矮星只是个概念。宇宙，毕竟还是太年轻啊！

大块头的白矮星，引力实在太霸道，无视电子简并压，直接把电子摁到了原子核内，和质子一起形成中子，于是电子简并压就消失了。引力继续压缩，一直把电子都压进了原子核，成了中子。此时天体直径仅有10km大小，密度达到10亿吨/立方厘米，活脱脱一颗超超超大号的原子核，中子毫无缝隙的紧密挤压在一起。

这就是：中子星。

白矮星变成中子星的过程反应也是异常剧烈，通常，反应剧烈的天体动不动就超新星爆炸，有些中子星就是白矮星炸完形成的。顺便说一句，有时候天体还会相撞，这种程度的撞击，妥妥的超新星爆炸。

中子星撞上白矮星发生的超新星爆炸

因为天体在尘埃汇聚过程中都保留了原先的角动量，几乎都是旋转的，中子星自然不例外。根据角动量守恒，中子星变小后转的很快，有些中子星的磁轴和自转轴不重合，就好比磁铁的N极和S极位置不停变化，就会发出非常有规律的电磁脉冲信号。因为太有规律，曾经一度被认为是外星人的信号。

这就是：脉冲星。

这是示意图，别当真

• 黑洞

小块头的中子星，又是发热又是发信号，逐渐把能量折腾完，最终的宿命还是“黑矮星”。

大块头的中子星，引力还有余力继续压缩，最后的最后，把理论上无法压缩的中子压缩成了一个“奇点”，终于修炼到了巅峰，成了广为人知的“黑洞”！

黑洞与引力

很多人拿黑洞吹牛，多是因为黑洞能吞噬一切，霸气的很！可人人这么吹，就失去了吹牛的本意，怎样才能吹个别出心裁的牛呢？

黑洞的诡异之处在于，小而无内的基本粒子居然再度被压缩了，就好像一辆塞爆的公交车又挤上去100人。

我们不经要问，粒子是什么？空间又是什么？虽然量子场论对粒子已经有了一个勉强的解释，但相对论对空间给出的答卷就有些不够用了。

相对论认为，质量会引起空间的弯曲，从而导致直线跑路的光线发生弯曲。比如，光在空气中的速度比真空中慢，是因为空气分子的质量造成了空间弯曲，光线经过原子核周围时，路程就多了少许，宏观上看是速度变慢了，实际上是光的路程变长了，光速永远是那个光速。

按照这个道理，黑洞质量如此之大，大到让空间极度弯曲，形成了一个空间闭环，啥东西也出不来，包括光。不过，霍金提出了霍金辐射，认为黑洞还是有东西会跑出来的，但一直未被证实，所以这事暂且不算。

引力波的提出和发现，才是让人头疼的事情。引力原来和电磁波一样，也是波，也是按照光速对外传播的。

于是，一个铁打的事实就摆在了眼前：黑洞无论多么抠门，无论把空间封闭成什么样，丝毫不影响引力对外传播。进一步说，以目前人类的认知，没有任何东西能影响引力的传播。

这让人不得不怀疑，引力会不会是在更高维度传播的？以至于可以无视我们三维世界的任何事情。

难怪物理学折腾四大基本力这么多年，唯独引力无法统一。也难怪咱们山上老僧如此感慨：“引力，可能是人类解开空间密码的唯一钥匙。”(注意，这句就是吹牛的重点。)

白洞和虫洞

黑洞、白洞、虫洞，三大吹牛好素材，另外两位也不能缺席。

白洞纯粹是数学公式上拍脑袋的产物。把黑洞数学模型的某个取值改了改，结果黑洞从“只进不出”变成了“只出不进”，然后就提出了白洞的概念。

白洞不但在观测上毫无依据，在理论上也难自圆其说。哪天找到了玉皇大帝，也不见得能找到白洞。如果白洞有照片的话，可能是这个样子：

虫洞的概念就靠谱多了。广义相对论认为空间是可以弯曲的，引力足够大就可以把空间对折起来，如果有只虫子，从对折的空间中咬出一个洞，就可以实现空间跳跃，于是就给取了个“虫洞”的名字。

这图是把三维空间比作了二维平面，所有的物理定律都是沿着平面走的，跳出这个平面，就相当于进入了四维以上的空间。理解空间弯曲和虫洞的概念，千万不要用脑子去想象画面，人脑是无法形成多维空间图像的。

老铁

最后还有个小问题：当宇宙中所有元素都变成了铁，咱还有能量来源吗？

扩展阅读：

核弹从良记：艰难的聚变发电 | 老和山下的小学僧

核弹成长记：看我七十二变 | 老和山下的小学僧

从地图看沿海 | 老和山下的小学僧

降维打击：电子战 | 老和山下的小学僧

背景简介：本文作者老和山下的小学僧，著名科普作家。文章2019年4月21日发表于微信公众号 老和山下的小学僧（天体演化：黑洞修炼秘籍），风云之声获授权转载。

责任编辑：祝阳