宇宙中“最硬”的物质，比钢还硬100亿倍，堪称宇宙“硬菜”

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世界上最硬的物质是什么？这个问题在不同的时代有不同的答案，在石器时代，人们认为各种石头就是最硬的物质了，人们可以用石头来打造各种器具和武器。

后来随着科技的发展，青铜、铁、金刚石等材料相继登场。以硬度而言，金刚石是自然界中天然形成的最硬物质。但在人造物质石墨烯面前，金刚石也不够看。石墨烯是由碳原子构成的二维材料，形式类似于蜂窝状的结构，其中碳原子以六边形的形式排列。它是一种单层的石墨，厚度只有一个原子的厚度，因此被称为二维材料。

石墨烯的硬度得益于其碳原子之间的强大化学键和特殊的结晶结构。这使得石墨烯能够承受巨大的压力和应对外部的挑战。据估计，石墨烯的硬度大约是金刚石的200倍，这使得它成为地球上最坚硬的材料之一。没错是之一，因为还有一种来自中子星的物质比它更硬，其硬度是钢的100亿倍，堪称宇宙中最强“硬菜”。它是怎么形成的？这事儿还要从恒星的发展说起。

恒星

恒星的诞生始于星云中的气体和尘埃云的坍缩。当一个巨大的气体云开始逐渐坍缩时，由于引力的作用，云的质量在中心积累，形成一个叫做原恒星的核心。这个过程可能需要数百万年到数十亿年的时间。虽然这一阶段没有直接的可见证据，但通过对星云和年轻恒星的观测，我们可以推测出这个过程的存在。

一旦核心温度达到约一百万度，核反应开始发生，恒星就会进入主序阶段。在这个阶段，恒星核心进行聚变反应，释放出巨大的能量和光辐射。主序恒星的持续时间取决于其质量，较大质量的恒星会更快地消耗氢燃料，因此寿命较短，而较小质量的恒星可以在主序阶段停留数十亿年之久。

当主序恒星耗尽核心的氢燃料时，核心会逐渐坍缩，同时外层的氢壳层开始膨胀。这导致恒星膨胀成为一个巨大的星体，称为巨星。巨星通常比主序星体更亮，并且体积更大。这一阶段的特征包括恒星的颜色变暗、表面温度降低和辐射的能量分布发生变化。巨星的演化过程已经通过多年的天文观测得到了证实。

当巨星的核心继续坍缩，氢壳层继续膨胀时，巨星会进一步膨胀成为更大而更亮的红巨星。红巨星的直径通常比原来的恒星大几十倍甚至上百倍。在这个阶段，恒星的外层大气层层层爆发，释放出大量的物质到周围的空间，形成行星状星云或者超新星遗迹。

当红巨星的核心耗尽了可燃烧的燃料时，核心会坍缩成为一个非常致密的天体。这个过程被称为恒星的死亡。根据恒星的质量大小会有不同的结局。

恒星的不同结局

质量较小的恒星在死亡后，核心会坍缩成为一个非常致密的球体，被称为白矮星。白矮星的质量通常与太阳相似，但体积非常小。它们不再进行核反应，只是逐渐冷却和衰变。白矮星是由亚光谱型的恒星演化而来，其表面温度通常较低，发出的光线主要是红外线。这一阶段的证据来自对白矮星的观测，包括其光谱特征和表面温度的测量。

质量更大的恒星在死亡后，核心坍缩到一定极限，会形成中子星。中子星是一种极为致密的天体，其核心由中子组成。中子星通常具有极高的自转速度和强磁场，这使得它们以极快的速度旋转，并产生强烈的磁场。这些特征可以通过对脉冲星（一种特殊类型的中子星）的观测进行验证。

当质量更大的恒星死亡时，核心的坍缩超过了中子星能够支撑的极限，形成了黑洞。黑洞是宇宙中最密集的天体之一，其引力极强，甚至连光都无法逃脱。我们无法直接观测到黑洞，但通过对其周围物质的引力效应和伽马射线暴的研究，我们可以间接推断黑洞的存在。

宇宙中最硬的物质就被推测产生于中子星。中子星的密度极高，据科学家们的估计，一个典型的中子星其质量约为太阳的1.4倍，但直径只有大约10公里。要知道太阳的直径约为139 0000公里，足足是中子星的13 9000倍，这使得中子星的密度可以达到每立方厘米1亿吨！这种密度下，自然就会产生一种硬度极高的物质——“核意面”。

宇宙中最硬的物质

地球上造出的嘴硬物质是石墨烯，它以碳原子为主链条。但在构想中，还有一种物质比它更硬，那就是碳炔。

碳炔是由碳原子以链状排列形成的物质，其中碳原子通过双键或者交替的单键和三键相连。这种特殊的结构赋予碳炔超高的硬度。尽管碳通常被认为是柔软的物质，能够燃烧产生热能，但金刚石和后来的碳炔却成为地球上硬度数一数二的物质。碳炔的硬度约为钢铁的200多倍，钻石的30多倍，也是石墨的2倍。这种惊人的硬度源于碳炔内部的结构安排，使其具备出色的抗压能力和耐磨性。尽管完美的碳炔还没造出来，但科学实验已经证明了这种材料的可行性。

观察石墨烯和碳炔我们会发现，最硬的物质都是以碳原子组成的。中子星上的“核意面”也是如此吗？

“核意面”的名称来源于它的结构。超新星爆炸使得中子能够聚集在一起，形成的结构很像是结构很像是意大利面团。中子星核心几乎完全由中子组成，这可能形成某种密度极大的物质——0号元素。

0号元素

0号元素又被称为四中子。大约20年前，法国科学家首次在粒子加速器中发现了六个不可能存在的粒子——它们有四个捆绑在一起的中子。根据标准的粒子物理模型和保利排他原理，相同类型的费米子（如中子或质子）无法在同一量子态中具有相同的量子属性。费米子遵循保利排他原理，该原理规定了它们的自旋、动量和其他量子属性不能完全相同。

如果假设存在四个中子构成的粒子（"四中子"），那么根据保利排他原理，它们无法在同一量子态中具有相同的量子属性，因此这样的粒子在标准的粒子物理模型下是不可能存在的。即使核力也无法将两个中子结合在一起，四个更不可能。然而现有理论和中子星的现实又证明，四中子确实可以在特定条件下短暂存在，其寿命大约为10-22秒。放在中子星上，由于某种强大的力量，使得中子能够相聚，形成了“核意面”。

事实上，中子星密度的秘密正来自于此。中子和质子构成原子核，而原子核又与外层的电子组成原子。这其中原子核的体积只有原子的几千亿分之一，但质量却占了原子核的99.96%以上。这意味着原子的质量大部分集中在质子和中子身上，其中质子带电，又比中子轻。而中子不带电，它们挤压在一起密度自然就大了。

2022年，由我国、德国、日本、美国等国科学家组成的科研团队已经证实了四中子物质的存在。未来还将继续研究更重的“中子物质”，如六中子态、八中子态等。

结语

宇宙中还有着无穷无尽的秘密等着我们去探索，目前我们发现“核意面”是宇宙中最硬的物质。但谁知道宇宙是否还有比它更硬的东西呢？

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