比鋼還硬100億倍!在已知宇宙中,最硬的物質應該來自中子星

從微觀角度來講,我們平常所看到的物體其實都是由一大堆原子構成,根據原子的種類和結合方式的不同,物體的硬度也大不一樣,比如說金剛石就是全部由碳原子構成,其結合方式為:每一個碳原子都會通過共價鍵與它旁邊的4個碳原子結合在一起,從而形成下圖這樣的晶體結構。

在這樣的結構中,碳原子所有的「價電子」都參與了共價鍵的形成,與大多數由種類相同的原子之間形成的共價鍵相比,碳原子之間形成的共價鍵的鍵長更短、鍵能更高,而其三維的構型又非常有利于將局部受到的外力迅速分擔到晶體各處,因此金剛石的硬度就相當高。

實際上,金剛石的莫氏硬度達到了10,并因此成為了地球上天然存在的最硬物質。之所以要加上「天然存在」這個限定,是因為金剛石的硬度還是比不上一些人工合成的物質,例如聚合鉆石納米棒、人工藍絲黛爾石、碳炔等等。

當然了,這些人工合成的物質的硬度在宇宙中也算不上什麼,那已知宇宙中最硬的物質是什麼呢?

在已知宇宙中,最硬的物質應該來自中子星,根據科學家的計算,這種物質比鋼還硬100億倍。人們還給這種物質起了一個有意思的名字——「核意面」,下面我們就來了解一下。

不管是金剛石還是人工合成的物質,它們的硬度都受限于化學鍵的強度,而化學鍵的本質就是原子之間的相互作用,由于原子的內部其實是很空曠的,因此假如有一種力量能夠將原子「壓碎」,然后將構成原子的中子、質子和電子緊緊地壓在一起,就可以突破化學鍵的限制,如此一來,物質的硬度就可能會大幅度地提升。

其實引力就可以成為這樣一種力量,也就是說,在那些引力場非常強大的天體上,就很可能存在硬度極高的物質。

在已知宇宙中,黑洞是引力場最強的天體,但由于我們對黑洞的內部情況基本上是一無所知,因此黑洞并不在「物質硬度」的討論范圍之內,而除了黑洞之外,中子星的引力場無疑就是最強的了。

需要注意的是, 中子星并不是全部由中子構成,根據科學家的研究,中子的質量大約占中子星總質量的95%,其它的質量則是質子和電子,而在中子星的外層結構之中,甚至還包含了大量的原子核。

除此之外, 中子星也不是全部都由固態物質組成。

上圖為科學家們經過多年研究后給出的中子星內部結構圖,按從外到內的順序分別是:「大氣層」、「外地殼」、「內地殼」、「外核」和「內核」。

科學家認為,中子星的「大氣層」的厚度只有幾毫米,主要由氫、氦和碳構成,其動力學完全由中子星的磁場控制,中子星的「外地殼」則是一個固體結構,主要由重元素的原子核和電子構成。

這里需要說明一下,「外地殼」中的原子核和電子并沒有結合成完整的原子,對此我們可以簡單地理解為,中子星的「外地殼」其實就是一大堆被中子星的引力場「壓碎」了的原子,但由于它們受到的力還不足以將電子壓進原子核里,因此這些「原子碎片」就被緊緊地壓在了一起,形成了一種奇特的固體結構。

實際上,中子星只有「外地殼」是固態結構,因為在中子星「內地殼」和「外核」之中的物質,會因為極高的溫度與壓強而呈現出流體的性質,至于中子星「內核」中的物質,暫時還沒有最終結論,科學家推測,在這片區域中的物質很可能是一種「夸克-膠子等離子體」。

我們知道,只有固態物質才有硬度可言,這就意味著, 只有中子星的「外地殼」才具有「硬度」這個特征

隨著深度的增加,中子星「外地殼」中的物質受到的壓力也就越來越大,其硬度也會越來越高,所以中子星上最硬的物質就出現在「外地殼」和「內地殼」的過渡區域(畢竟「內地殼」中的物質已經是流體,而流體沒有「硬度」可言)。

上圖為科學家推測出的這種物質的多種微觀結構,可以看到,這樣的結構就像「意大利面食」一樣,由于這種物質的主要質量是由原子核提供的,因此人們就將其稱為「核意面」(Nuclear Pasta)。

有意思的是,人們甚至還給不同的結構起上了更細致的名字,比如說「意大利團子」(Gnocchi)、「千層面」(Lasagna)、「華夫餅」(Waffles)等等。

為了測試「核意面」的硬度,科學家根據中子星的形成條件、已知的觀測數據以及相關的理論建立起了計算機模型,在經過一系列的模擬測試之后,科學家最終得出的結果為,「核意面」比鋼還硬100億倍!

因為除了黑洞之外,已知宇宙中再沒有比中子星引力場更強的天體了,所以「核意面」也被認為是已知宇宙中最硬的物質。

值得一提的是,「核意面」只能在中子星這樣的極端引力場中才可能存在,一旦脫離中子星的引力束縛,「核意面」的致密結構就會瞬間消失,同時釋放出大量的能量。

另一方面來講,中子星上的物質密度至少都可以達到每立方厘米10^11千克(1000億千克),因此可以說,就算不考慮宇宙中的距離問題,我們人類也不可能利用「核意面」來制造物品(至少在可以預見的未來里是這樣)。

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