物理学允许“雷神之锤”来自中子星吗？

1. 物理学允许“雷神之锤”来自中子星吗？

中子星是除黑洞外密度最大的星体，同黑洞一样是20世纪激动人心的重大发现！

物理学中最有趣、最神奇的实验往往不具有可操作性，有很多的实验只能在头脑里进行，我们称之为：思想实验。尽管我们在现实中受到了很多的限制，无法对宇宙中任何物体进行细致入微的研究、解剖和探查，但我们对物质以各种形式的存在，及其规律的理解远超于目前的实验水平。


例如，我们在理论上知道中子星的形成过程，也知道它的一些性质！现在的问题是：如果我们取一颗中子星（假设是一立方厘米）的一部分，然后把它拉离中子星，会发生什么？虽然我们无法这样做，但理论应该会告诉我们结果。
中子星到底是什么?


中子星，顾名思义，它是一颗由中子组成的星球，其物质通过强烈的引力结合在一起，质量大约与我们的太阳类似。这里就有个问题，中子不应该存在很长的时间，因为它会衰变！现在我们选择一些任何的粒子，然后将其隔离开来，观察会发生什么？质子、中子和电子这三种粒子构成了我们所知的大多数普通物质，但它们的结果却大不相同。



如果上图中的质子和中子直径为10厘米，那么夸克和电子的尺寸将小于0.1毫米，整个原子的直径约为10千米。

电子属于不可分的基本粒子，是带电荷的质量最轻的粒子。据我们所知，电子完全稳定，没有可能的衰变的途径。
质子是由夸克和胶子组成的复合粒子。理论（大统一理论）上讲，质子可能会衰变，所以我们一直在寻找其衰变的证据。方法其实很简单：建造一个装满单个质子的巨型容器，里面有10^32个质子，然后等上一年，看看其中是否有一个质子会衰变，如果没有，其半衰期至少是10^32年。经过无数次这样的实验，并没有发现衰变的结果，因此我们现在已经确定，如果质子真的不稳定，它的半衰期至少是10^35年（科学家根据实验和理论将质子半衰期限制在这个时间内），或者是现在宇宙年龄的10^25倍。因此据我们所知，质子也是完全稳定的。
但中子不是这样！观察一个自由的，没有束缚的中子，它很可能在15分钟内消失，衰变为质子，电子和反中微子。(它的半衰期更短：大约10分钟。)


那么，怎么可能有一个像中子星这样的实体呢？
自由中子和束缚中子之间是有区别的，这也是为什么许多元素和同位素不会衰变的原因：当原子核结合在一起时，原子核里有一定量的结合能足够保持中子的稳定！


对于元素来说，某些原子核的构型比其他的更稳定。目前据我们所知，有超过254种可能的原子核构型是完全稳定的，应该不会经历放射性衰变。（但也许在足够长的时间尺度上，其中很多也会变得不稳定，只是我们还没有观察到而已。）但是稳定的原子核没有一个是很重的，或者由很多的中子组成。最重的稳定元素是什么？那是铅，82号元素，有四种已知的稳定同位素：Pb-204、Pb-206、Pb-207和Pb-208。
在所有已知的元素中，有82个质子和126个中子的原子核是最重的稳定原子核。


但以上是假设核力是把中子绑在了一起，才不会衰变。就中子星而言，还有别的东西在起作用。为了理解其发生了什么，让我们再来看看中子星是如何产生的。
在质量最大的恒星中（轻星团中最亮、最蓝的恒星）它们的核心将氢聚变成氦，所有的恒心都会经历这个过程。然而，与类太阳恒星不同的是，它们不需要数十亿年的时间来消耗它们的燃料，而只需几百万年（甚至更少）的时间其氢燃料就会耗尽，因为大质量恒星内部极高的温度和密度导致了非常迅速的聚变反应。
当它们的核心耗尽氢燃料时，内部开始收缩，导致温度升高。当它达到一定的临界温度时，核心中的氦开始聚变成碳，导致更大的能量释放率。
仅仅几千年后，氦燃料就会耗尽，内部会进一步坍塌，温度升高到太阳核心永远无法达到的温度。在这种极端的条件下，核心的碳开始聚变成氧，然后在类似的连续反应中，氧聚变成硅和硫，硅聚变成铁，接下来，就出现问题了。


上图可以看到：铁是最稳定的元素。它的原子核中有26个质子和30个中子，每核子的结合能最高，这意味着任何其他的构型都不如它稳定。因此比铁更重的元素，并不通过将铁和其他元素融合形成的。相反，当核心充满铁时，不再有燃料可以燃烧，核心开始因引力而收缩。随着时间的推移核心变得越来越热，密度越来越大。
最后，达到了一个阈值，电子和质子开始融合在一起，产生中子、中微子和巨大的能量！


这种失控的反应产生的能量如此之大，导致了整个恒星的外层在超新星爆发中被摧毁，而电子和质子融合成中子和中微子只需要几秒钟的时间。


超新星爆发后，虽然外层需要几周到几个月的时间才能被吹走，但核心在巨大的影响下凝结成一个中子球，这种影响不是来自核力，而是来自重力。
中子星的核心大约相当于一个太阳的质量，被压缩成半径只有几公里的体积。它的密度约为每立方米10^19千克，是宇宙中已知的密度最大的物理三维物体。


为了使中子在放射性衰变中保持稳定，它需要有比中子和质子的质量差更大的结合能，大约是1mev，大约是中子质量的0.1%。虽然核心的中子很容易被束缚，但表面的中子是最脆弱的。我们假设一颗中子星的质量等于太阳的质量，半径只有3公里，一个被束缚在其表面的中子，其结合能约为400兆伏，足以防止其衰变。
如果我们从中子星中取出一立方厘米的物质会怎样？我们会得到什么呢？


取出中子星物质，引力结合会大大减小，这远远不足以阻止中子衰变！实际上，我们在宇宙中也遇到了类似的情况：中子星与中子星相撞。当大部分物质可能合并形成黑洞时，约有3%的质量被抛出。这些被抛出的碎片并没有产生任何奇异的物质，它们会以惊人的速度衰变，产生元素周期表中最那些最重的元素。如果你想知道地球上大部分像黄金这样的元素是从哪里来的，答案是：中子星的合并！


因此，如果我们取出的中子星物质质量太小，它只会在短时间内碎裂并衰变为稳定（或长寿）的元素和元素周期表的同位素，其过程最多在一个中子寿命的时间尺度上，也可能在更短的时间尺度上。
如果我们想获得足够大的质量来保持中子在表面的稳定呢？也就是说我们取出的物质稳定不衰变，它的半径应该在200米左右。


半径200米的中子星物质与土星的质量相当，但这是保持稳定所需要的下限。如果质量更小，中子球就会衰变。所以，电影里说：强大的雷神之锤是取自中子星的物质锻造的……，看看它的尺寸！


物理学根本不允许这样这样的中子锤存在。因为它太小了，表面的引力结合能太小，只会发生灾难性地放射性衰变！

2. 物理学中会允许“雷神之锤”来自中子星吗？

物理学中不会允许“雷神之锤”来自中子星，因为它太小了，表面的引力结合能太小，只会发生灾难性地放射性衰变！物理学中最有趣、最神奇的实验往往不具有可操作性，有很多的实验只能在头脑里进行，我们称之为：思想实验。尽管我们在现实中受到了很多的限制，无法对宇宙中任何物体进行细致入微的研究、解剖和探查，但我们对物质以各种形式的存在，及其规律的理解远超于目前的实验水平。 

中子星，顾名思义，它是一颗由中子组成的星球，其物质通过强烈的引力结合在一起，质量大约与我们的太阳类似。这里就有个问题，中子不应该存在很长的时间，因为它会衰变！ 电子属于不可分的基本粒子，是带电荷的质量最轻的粒子。据我们所知，电子完全稳定，没有可能的衰变的途径。 

达到了一个阈值，电子和质子开始融合在一起，产生中子、中微子和巨大的能量！ 这种失控的反应产生的能量如此之大，导致了整个恒星的外层在超新星爆发中被摧毁，而电子和质子融合成中子和中微子只需要几秒钟的时间。 中子星与中子星相撞。当大部分物质可能合并形成黑洞时，约有3%的质量被抛出。这些被抛出的碎片并没有产生任何奇异的物质，它们会以惊人的速度衰变，产生元素周期表中最那些最重的元素。 

半径200米的中子星物质与土星的质量相当，但这是保持稳定所需要的下限。如果质量更小，中子球就会衰变。所以，电影里说：强大的雷神之锤是取自中子星的物质锻造的，看看它的尺寸！

3. 用中子星造一把雷神之锤会怎样

中子星是宇宙中令人震撼程度仅次于黑洞的天体，一颗质量足够大的恒星在演化后期就有概率形成一颗中子星。与恒星庞大的体积不同，中子星通常半径只有几十公里，但是其却和一颗半径上亿公里的恒星质量相当。这使得即使只有一个小城镇大小的中子星却拥有令整个太阳系绕其公转的强大引力。如此令人震撼的天体若是把其作为一种材料来打造一把武器的话又会是什么样子的呢？
     
 漫威中雷神的武器-雷神之锤貌似拥有无以伦比的重量，除了雷神谁也举不起来，如果用中子星来打造一把雷神之锤的话，是否可以达到这样的效果呢？答案是肯定的，甚至武器的效果会超越雷神之锤有过之而无不及。
     
 假设打造一把雷神之锤需要用到的中子星材料体积为1000cm3，那么这把用中子星打造的雷神之锤有多重呢？答案是1000亿吨以上。一千亿吨是什么概念呢，假设一个胖子是100KG重，那么需要有10000亿个胖子堆叠在一起才有这把用中子星打造的雷神之锤那么重，想想平时身边200斤的胖子轻轻地靠你一下的感觉就知道这10000亿个胖子有多重了吧。那么现在我们这把用中子星打造的雷神之锤也能和漫威里面的雷神之锤一样了，谁也没法轻易地拿起来，就算是雷神来拿，也不一定能拿的起来。
     
 当然用中子星制造武器也只是我们的一个猜想，现实中想要获得中子星基本没有可能，因为中子星距离我们非常遥远，而且中子星上面的环境是极端异常的，通常的中子星都是每秒自转上千次，并且附带上千万摄氏度的极度高温，其恐怖的引力就连路过中子星的光线都无法以直线逃离中子星，所以就算我们发现了也无法登录上去采摘材料运回地球。即使侥幸获得了中子星材料制造了一把武器，那也得小心小心再小心地使用，因为一个不留神掉落在地上，那将是一场核爆级别的灾难！