在1900年代早期,白矮星的发现曾令天文学家深感困惑。从它们的温度和亮度来看,很明显白矮星只有地球般的大小。又由于一些白矮星绕着其他恒星运动,我们也可以确定它们的质量大如太阳。那么,如此大的质量被压缩在如此小的体积中怎么不会自我坍缩呢?
当时最流行的观点认为,在巨大的压力下。电子将从原子中脱离变成自由电子,产生一种由自由电子和原子核组成的超级稠密等离子体。由于电子是极度微小的,它们的行为会像理想气体一样遵循一般的温度和压力的关系。因此,白矮星的“电子气”会有足够的压力来阻止恒星坍缩。
虽然这看似合乎其理,但英国天文学家亚瑟·爱丁顿注意到,这引发了一个涉及热力学的悖论。热力学第三定律指出,任何物体不能被冷却至低于绝对零度。这也适用于电子气。
由于白矮星发出光和热,随着时间的推移,它们会逐渐降温变冷。但爱丁顿注意到,白矮星被引力紧密挤压。如果去除压力,那白矮星的物质应要膨胀回常规原子物质。假设现在发现了一颗特别寒冷的白矮星,其电子气和原子核会高于绝对零度,但其单位质量的能量会低于普通物质在绝对零度时所拥有的。如果你舀起一点白矮星,去除压力之后,这会发生什么?理论上,它应该会比绝对零度更是,但这是不可能的。
回力棒星云温度非常低,略高于绝对零度,温度仅为1K
这个悖在1926年最终被R.H.福勒(R. H. Fowler)解决。他认为,这个问题源于把电子视为如原子一样的传统物体。电子遵循量子理论的规则。由于泡利不相容原理,电子被堆在一起的紧密程度是有限度的。因此,白矮星中的电子气不会低于绝对零度,因为量子力学的定律不允许。在几年后,印度物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡做了进一步思考,通过计算发现白矮星的质量不会超过太阳的1.44倍,这个上限被称为钱德拉塞卡极限。
曾是作为热力学的一个悖论,后来演变成为首次证明了极大与极小物质之间的量子联系。这为我们指明了现代天文学的方向。
下次我们将要讨论的另一大天文悖论是:恒星随着年龄的增长会逐渐变暖,这就意味着曾有一段时间,太阳温度无法足够高到使地球存在液态水。但是,有清楚的证据表明水在地球上存在很长一段时间了。那这到底是怎么回事呢?下次我们将为大家介绍黯淡太阳悖论。
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