比钢硬100亿倍，宇宙中的“最硬”物质！此“硬菜”来自中子星

前言

“坚如磐石，所向披靡，坚不可摧，牢不可破……”如果说出这些话，你会怎么想第一？相信大多数人都会想到身边的硬物，比如岩石、钢铁、合金、钻石等等。

确实，这些东西都非常结实坚硬。从建筑文明发展的那一刻起，地球上的物质就在不断地被人们发现。第一次石器时代的石树石头和树木对于原始人来说是坚硬锋利的。中世纪，金属的广泛应用和冶炼技术的提高，越来越多的金属进入人们的日常生活。今天，先进的科学技术已经可以人工合成材料，各种高硬度合金、极硬的钻石在日常生活中非常常见。

钻石母石——钻石

物质的质量和密度

判断一个物体的硬度，必须从质量和密度入手。一般来说，无论是哪种物质，无论它是什么状态，随着温度和压力的变化，相应的体积和密度也会发生变化，不同物质所考虑的条件也会发生变化。

对于整个宇宙来说，强大的压力会让天体中的物质密度与平时的密度大不相同。在现代物理学中，质量表示物质之间的不同性质，主要表现在“惯性质量”和“引力质量”，物体的质量还受到引力场的影响。

宇宙中的天体

一般来说，物体的质量可以用密度和硬度来表示，但实际上两者之间并没有绝对的关系。不同的物质有不同的计算标准，所属的概念也不同，但的好坏可以通过密度来客观反映；而的硬度则体现在材质的局部抗侵入能力上，从而形成我们日常对物体硬度的判断。

地球的硬度

地球上已经发现或合成了很多具有相当硬度的物质，例如刚玉、六角金刚石、氮化碳、合金钢、铬等。最广为人知的可能就是钻石，也就是我们通常所说的钻石。

钻石恒久远

钻石成分单一，只有碳元素，稳定的晶体结构使钻石具有很强的硬度，最硬的的硬度是普通钻石的一半以上。钻石刀具作为一种重要的工业材料，可以轻松切开玻璃等硬度较高的物体，而钻石的外观和结构在珠宝市场上也占有一席之地。

金刚石工具

除了矿物，还有金属，工业生产的钢合金就是很好的代表。在硬质合金中，有钨钢这样一种极其坚硬的金属。复合钢是加入金属碳化物烧结的具有非常高的硬度和强度。钨钢硬度高、耐热、耐腐蚀，即使在1000摄氏度下仍具有很高的强度，其强大的物理性能使钨钢可以轻松切割其他普通金属，一般用作金属切削设备的刀片或加工材料。

看似脆弱的玻璃，如果做成特定的形状，可以变得坚硬如钢，甚至比钢还坚固。这是鲁伯特的眼泪。这种水滴状玻璃珠的制作方法很简单，就是让液态玻璃自然滴入水中冷却。一种彗星状的玻璃珠。

鲁伯特的眼泪因为玻璃的泪珠状头部外层在冷却过程中迅速冷却，所以内部还没有完全凝固，在中产生的残留它的应力和玻璃外层的拉应力是平衡的，水滴形的头部将具有高达数百MPa的抗压性，只要细长的尾端不承受太大的压力力，鲁伯特的眼泪不会碎，可以和金属硬碰硬。

以上代表还不是地球上最硬的物质。现在认为地球上最硬的物质是卡宾，它是碳原子聚集形成的碳链，碳原子再次键合，使碳原子牢固地连接在一起，形成一个结构稳定且极其坚固的物体。卡宾的硬度比金刚石强几十倍，比钢强200多倍。即使是石墨烯这样的高强度材料，抗拉强度也能比它强好几倍，非常厉害。

Carnyne

宇宙中的物质

让我们把目光转向宇宙。这里的物体更多，必然有更多更坚硬的物质。这次我们直接关注天体，毕竟在宏观宇宙中，天体是最直观的观察对象。

宇宙中最直接最明显的东西就是星星。恒星死后演化出的中子星、黑洞、白矮星就是它们的终极形态。白矮星是恒星死亡后更常见的状态。能量燃烧殆尽后，会逐渐冷却，形成一颗白矮星。白矮星的内部压缩使其具有比恒星更高的密度和质量。如果太阳变成白矮星，密度至少为每平方米1.41×1011千克。

白矮星

比白矮星中子星和黑洞更“坚固”，更大的恒星更容易成为这样的天体，关于黑洞，目前科学家所知道的信息还不够，只知道这是宇宙中密度最高、引力最强的天体，关于它的一切还都是未知数。与中子星不同，中子星位于白矮星和黑洞之间，可以观测到。它是除黑洞外已知密度最大的天体。

要形成中子星，首先要满足“大”的条件。一般质量为太阳10-29倍的恒星都可以转化为中子星。恒星在坍缩过程中，会产生超压，使所有物质的结构发生变化，聚集在一起，最基本的原子中的质子和中子会被挤出，质子与电子结合形成中子，所有形成的中子再次被挤压在一起形成中子星，中子星离不开中子星，强大的引力和中子的压力有机会存在。

中子星

因为中子星的极度坍缩，所有的物质都被挤压在一起，原来巨大的恒星天体将只有几十公里的半径用铁天体的外壳。这使得中子星的密度极高，地球上普通钢的密度为每立方厘米7.85克，密度最大的金属锇约为每立方厘米22.5克，而1立方厘米中子星的数量可以达到不可思议的水平-1亿吨，甚至数十亿吨。地球上最硬的物质与中子星不在同一个数量级。

• 中子星

中子星不仅很“重”，它自身的引力也极强。中子星强大的引力把所有物质紧紧地压在一起，本身的温度已经达到几十万度引力挤压所有的中子在其内部形成流体中子星。

一颗内部物质是流体的中子星

这种异常强大的引力使得中子星看起来就像一个非常标准的球体，但是角动量始终存在于宇宙天体中，中子星严格意义上来说，它仍然会有点椭圆。如果中子星上有一座高山，那么这座山不会超过3厘米，仅次于拥有黑洞引力的中子星。当光从中子星逸出时，它几乎被抛出成一条曲线。

光的逃逸

中子星的形成看似离谱，但基本符合一定的物质定律。任何物质，只要不断施加压力，密度就会变高。在极强压力的作用下，普通物质也可以变成中子状态，而元素的概念也会在这种状态下消失。

物质密度之所以能变得如此之高，是因为原子内部空间相对较大。原子核和电子在原子中占据的空间很小，这使得原子具有可压缩性。但是，普通物质要想变成中子态，就必须克服基本粒子的电子简并压力。要克服这种压力，必须在非常极端的环境下进行。中子星只能存在于这种环境中。如果脱离中子星，中子会产生β-衰变，释放电子核反中微子，中子变成质子，中子半衰期只有10分钟。

地球内部也可以发射反中微子

中子星并合也可以让人类观测引力波。中子星的极端存在，在并合时可以释放出超过太阳数千亿年的光能。在并合过程中，大量物质向四面八方喷射，形状会像一个球体。抛射出的物质在俘获中子的过程中，也会产生大量的重元素。这些元素的科学界目前得出结论，宇宙中的金元素和超铁元素主要来源于中子星并合。

宇宙中的引力波

• 宇宙中最坚硬的物质

为了更形象地研究中子星，科学家们还想象着具体地观察这些奇特而极端的物质，并写下”Resilienceofnuclearpasta”作为论文的标题。

研究人员根据从中子星获得的数据模拟了核意大利面。在中子星中，核引力和库仑斥力势均力敌，力的竞争让中子和质子聚集成各种复杂奇异的结构，因为中子星的核心形状像意大利这个这就是核意大利面名称的由来。这个来自中子星的“硬碟”可能是宇宙中最坚硬的物质，与钢铁的硬度相比，它的硬度是它的100亿倍。

中子星内部“意大利面”形态

形态少量的质子对于核意大利面的形成非常重要。质子和中子之间的核引力比两个质子或中子强得多，类似于A简并压力。质子维持着核面食的稳定形状，质子的电荷斥力和原子核之间的引力竞争形成了核面食。

中子星内部的流态无法很好地观察到是否存在核意大利面，但表面规则核核之间会形成一个过渡区，过渡区顶部的压力足够高，普通细胞核聚集成一个更大的半球形，这种形态被称为“意大利面疙瘩”。

除了面疙瘩状态，在中子星更深的内壳层还有“意大利面条状态”、“千层面状态”和“华夫饼状态”。是因为中子星内部超强的引力压缩，电子和中子相互排斥形成。

• 恒星命运

几乎所有的恒星都逃不过3个结局，白矮星、中子星、黑洞。我们所知道的太阳会演变成一颗白矮星，消耗掉它的能量并最终冷却下来。

这个火球最终会变成白矮星

中子星的命运看起来好多了，中子星的前身是红超巨星，在成为中子星之前，需要大到足以成为中子星，而中子星的爆炸带来了致命的宇宙射线，同时大量的元素和物质散落在宇宙中，促使新天体诞生。终极极端天体是非常神秘的黑洞，我们无法直接观察或接近。

黑洞

结语

与地球上的物质相比，浩瀚的宇宙充满了很多不可思议的存在。地球上神奇的物质在宇宙中显得微不足道，让我们好奇的同时满足了内心，也是探索世界的一种方式。

宇宙等待人类探索

也许未来的某一天我们能看到更多惊人的天体和物质，中子星和黑洞的极端也证明了一切的可能性，也许未来的某一天，中子星或许真的可以作为我们开发利用的“菜”，里面的事物的本质或许会有更多的发现。