第10章 神奇的水滴
《三体》有很多神奇的科幻想象，智子排在第一位，水滴可能排在第二位。尽管后面还有高维空间碎块及将太阳系两维化的二向箔，但我还是觉得水滴足够神奇，因为它的材料虽然不重，却无坚不摧。
按照刘慈欣的说法，水滴是用强相互作用力起主要作用的材料建造的，我们在这一章中先回顾一下物质的基本结构，以及材料科学中的各种“神奇”的材料，然后再讨论水滴是否是可能的。
在开始之前，让我们欣赏一下刘慈欣对水滴的描写。首先，人类在三体危机出现之后，发射了第二代哈勃望远镜，这个望远镜规模巨大，仅口径就有21米，而第一代哈勃望远镜的口径只有2.4米。这台空间望远镜先发现了1000条宇宙尘埃中的航迹，这是三体第一舰队留下的。在三体舰队穿越第二片星际尘埃时，舰队发射了比三体星舰速度更高的探测器，也被哈勃二号发现了，这些探测器就是水滴。经过两个世纪的航行，这些探测器率先到达了太阳系，而人类也有了庞大的太空舰队，人类舰队的星舰的速度甚至高于三体舰队。
探测器的大小与预想的差不多，长三点五米，丁仪看到它时，产生了与其他人一样的印象：一滴水银。探测器呈完美的水滴形状，头部浑圆，尾部很尖，表面是极其光滑的全反射镜面，银河系在它的表面映成一片流畅的光纹，使得这滴水银看上去简洁而唯美。它的液滴外形是那么栩栩如生，以至于观察者有时真以为它就是液态的，根本不可能有内部机械结构。
“它的质量是多少？”丁仪问。
“目前还没有精确值，只有通过高精度引力仪取得的一个粗值，大约在十吨以下吧。”
“那它至少不是用中子星物质制造的了。”
“只能猜了。”丁仪抬头说，“这东西的分子，像仪仗队一样整齐地排列着，同时相互固结，知道这种固结有多牢固吗？分子像被钉子钉死一般，自身振动都消失了。”
“这就是它处于绝对零度的原因！”西子说，她和另外两位军官都明白丁仪的话意味着什么：在普通密度的物质中，原子核的间距是很大的，把它们相互固定死，不比用一套连杆把太阳和八大行星固定成一套静止的街架容易多少。
“什么力才能做到这一点？”
“只有一种：强互作用力透过面罩可以看到，”丁仪的额头上已满是冷汗。
在这段对话发生之后不久，水滴就开始了对人类联合太空舰队的毁灭行动，人类舰队的覆灭让人类陷人空前的恐慌。
一种不是中子星状态的物质，重量并不十分大，材料被放大1000万倍之后依然光滑，分子排列有序且没有任何振动，这种材料真有可能存在吗？我们借分析这个材料之机，好好复习一下人类在认识物质结构方面取得的成就。
物质的基本结构和形态
原子学说最古老的版本是属于希腊人的。留基伯被认为是第一个提出原子论的希腊人，他的学生德谟克利特继承了这个学说。他们认为，世界上除了不可分的原子和虚空外，什么也没有。原子是守恒的，不可能被创生也不可能被消灭，一切物理过程都可以约化为原子之间的碰撞。德谟克利特甚至提出了天体形成的原子理论，他认为大原子形成天体的核心，而小原子浮在地球的表面。就我们了解的天体来说，除了细节上的修改，德谟克利特基本上是对的。
德谟克利特与苏格拉底处于同一时代，他的生活年代距今大约2500年。
德谟克利特的原子论更像现代的基本粒子理论。基本粒子之间可以互相碰撞，互相转化，但无法继续分成更小的部分。与希腊人的原子学说不一样的是，基本粒子可以被生成，也可以被消灭，守恒的不是粒子，而是能量和动量。
现代原子论是在化学家手中成形的。在拉瓦锡的化学反应质量守恒、普鲁斯特的定比法则的影响下，英国化学家道尔顿在19世纪初提出了元素的原子论。道尔顿指出，每一种元素都对应一种固定的原子，这些原子在化学反应中是不可再分的，性质相同。不同元素的原子质量不同，这些原子在化学反应中按照自己的整数倍形成复合化学物质，当复合物质分解后，各种原子与组成复合物的原子一样。这是非常简单的原子还原论，在解释化学反应中非常成功。道尔顿将氢原子的重量定义为1，以此推出其他元素的原子质量，不过他的结果并不准确。
阿伏伽德罗是对原子论作出杰出贡献的第二个人。他提出，在相同温度和相同压强之下，同样体积的不同种类的气体含有同样多的分子，也就是说，气体的体积与分子的质量无关。阿伏伽德罗通过这个定律推出-水分子含有两个氢原子和一个氧原子，因为两个体积的氢气和一个体积的氧气结合成水蒸气。阿伏伽德罗由此更加精确地测量了氧原子的质量。后来，单位质量中的气体含有原子的个数被定义成阿伏伽德罗常数。例如，一克氢含有的氢原子个数可以被看成是阿伏伽德罗常数。后来，12克碳12中含有的碳12原子的个数被约定为阿伏伽德罗常数。
尽管化学范畴的原子论在解释化学反应时很成功，但很多人仍不能接受原子论，因为他们无法直接“看到”原子。在原子论提出不久，英国植物学家布朗发现了布朗运动：花粉颗粒在水中做不规则运动。直到20世纪初，爱因斯坦等人才通过原子论成功地解释了布朗运动。原来，花粉颗粒在水中受到大量水分子的碰撞，每次受到的碰撞合成的力不可能完全一样，由此产生了看似无规则的运动。爱因斯坦通过计算解释了布朗运动的规律，即花粉走的直线距离与时间的平方根成正比，正比系数与阿伏伽德罗常数有关。在物理学家用布朗运动实验测定阿伏伽德罗常数之后，现代原子论才得到承认。
以上谈的是地球上常见物质的原子和分子解释。如果我们将这些物质称为普通物质，那么，是否存在不能简单地用原子和分子解释的非普通物质呢？
如果原子像古希腊哲学家想象的那样绝对不可分，那么，应该不可能存在非普通物质。
但这个结论错了。的确存在非普通物质，如等离子体、白矮星物质、中子星物质，甚至夸克星物质以及已经在实验中发现的夸克-胶子等离子体。这些非常物态的存在，与原子再分后的更加“基本”的粒子的存在有关。例如，等离子体和白矮星物质的存在与电子、离子及原子核有关，中子星物质与中子有关，夸克星物质及夸克-胶子等离子体与夸克及胶子的存在有关。
在讨论这些非普通物质之前，我们还是将普通物质分一下类，在地球上，自然的物质状态有四类。
首先是气体，这也是化学家在研究元素性质的过程中利用得最多的物质状态。气体可以由一种原子组成，如氦气、氖气，也可以由一种分子组成，如氢气、水蒸气、二氧化碳气体；还可以是混合的，如地球上的大气。
气体的主要特征是原子或分子之间的间距很大，因此它们之间几乎没有什么相互作用。每个原子或分子在气体中相对自由地运动，因此，气体容易流动、变形，同时也不容易被观察。气体的分子或原子之间存在碰撞，这些分子或原子连续发生两次碰撞的地点之间的距离叫作自由程。自由程很大的气体我们叫作理想气体，这是最早被研究的气体，宏观上很容易描述。例如我们用温度、压强就能够描述一个理想气体了，而一个理想气体所占的体积可以由温度和压强推算出来。推算的公式叫作状态方程，最早发现这个方程的科学家是波义耳。
有趣的是，我们通常所见的氧气和氢气并不是由原子组成的，而是由双原子形成的分子组成的，真正的单原子气体是惰性气体，如前面提到的氦气和氖气。
当气体的温度降低，或者压强增大时，气体的分子、原子之间的碰撞频率增大，自由程变小，这时的气体已经不是理想气体了，气体的状态方程变得复杂。到了一定程度，气体就会发生相变，变成液体。例如，水蒸气在一个大气压下当温度降到100°C以下时就成为液体水，氧气的温度降到90K时才成为液体，氢气必须将温度降到33K时才能成为液体，而氦气则需要降到5K才成为液体。在地球上，我们经常使用的低温液体是液态氮，最高温度是77K，超过这个温度，氮就会蒸发为气体。
物质处于液体状态时流动性还是很好，但分子或原子之间的间距大大变小，密度也更大。液体虽然还有流动性，但在压力之-下-体积变化率比气体小得多。我们知道，水是很难被压缩的。当液体的温度继续降低时，就会相变成第三种常见的状态——固体或固态。
固体也是地球表面上最常见的物质状态，泥土和岩石是固体，金属也是固体。固体中的粒子之间的力很大，因此固体很难变形。但是，固态中的粒子排列千变万化，有的非常规则，有很高的对称性•，这种状态叫晶体，典型的例子是钻石。多数固体中的粒子排列不规则，叫非晶态固体。有一种特别的固体，被发现时间很短，只有三十年，它的结构介于晶体和非晶体之间，叫准晶体。准晶体不像晶体那样有平移对称性（即在不同的地方看起来是一样的），却有一种奇妙的对称性质，如在空间转动五分之一周的对称性，这是晶体完全不能允许的。
当气体的温度升高到一定程度时，就会出现物质的第四种状态——等离子态。温度足够高的气体会让分子或原子电离：其中的一些电子被激发进游离状态，这样，气体就含有自由电子和一些离子（失去电子的原子或分子）。等离子体的应用很广泛，从研究恒星的构成到人工受控热核聚变。
超重的矮子
在宇宙中，存在形形色色不可思议的天体。就质量密度来说，中子星和白矮星几乎是冠军和亚军。
也许你会问，为什么说“几乎”而不直接说这些天体就是冠军和亚军？
这个问题我们留在最后再谈。
先说亚军白矮星。白矮星是一类恒星演化到最后的产物，这类恒星的质量和太阳类似，叫作主星序恒星。“矮星”这个名词用处挺广，例如我们的太阳是一颗黄矮星，它也在主星序中，寿命大约是100亿年。天狼星是蓝矮星，温度比黄矮星高。比黄矮星表面温度低、质量也小一些的是红矮星，红矮星由于质量太小，不足以将氦元素聚合，从而不会在燃烧的最后阶段膨胀为红巨星。红矮星的寿命非常长，可达数百亿年。但红矮星还不是最小的恒星，最小的恒星是小到不能产生核反应的恒星，它们叫棕矮星，质量比太阳要小得多。棕矮星又叫褐矮星，表面温度也许会低到数百度。有人试图在科幻电影中用褐矮星擦过地球让地球急冻，我就建议将那颗褐矮星的温度设定为远远低于零度。这也许是可能的，只要这颗褐矮星的质量足够大。
现在，我们必须谈谈这一节的主角——白矮星。其实白矮星不属于主星序，与红矮星、黄矮星以及蓝矮星完全不同。一颗白矮星的质量与太阳质量相距不远，但它的半径却与地球相距不远，可见其密度之高。想想太阳的质量是地球质量的百万倍，这样，我们很容易推想白矮星的质量密度是地球密度的百万倍，也就是说，白矮星上的物质每立方厘米高达数吨重。
这样高的密度是怎么来的？原来，当一颗恒星燃烧完后变成红巨星时，它的内核将氦合成为碳和氧，这些元素的原子序数分别是6和8。如果内核的温度低于10亿摄氏度，核聚变就到此为止了。如果温度更高，碳会聚变成更重的元素氖和镁，核聚变最后也会终止。在核聚变终止后，由于没有能量可以抗拒万有引力，内核会继续塌缩，直到电子气的压强取代聚变产生的压强抵抗住万有引力的作用。这样形成的矮星叫作白矮星。
那么，电子气的压强是什么？当物质被压缩到极大密度后，原子中的电子和原子核不再束缚在一起，因为原子之间的距离已经小于原子的大小，此时物质是原子核和电子形成的等离子体。如果电子气的密度过大，这样的等离子体不是简单地以热能为特征的气体。我们知道，普通有温度的气体中的自由粒子的动能与温度成正比，当气体被压缩到一定程度后，每个粒子的动能就已经与温度无关，因为此时粒子必须满足量子力学中的不确定性原理了。
满足不确定性原理的粒子气体会怎么样呢？根据不确定性原理，这样的粒子的动量与粒子所占的空间尺度成反比，动量是尺度倒数的整数倍。假如所有粒子是所谓的玻色子（自旋角动量是普朗克常数的整数倍），这些粒子会进入最低的能量态——玻色爱因斯坦凝聚状态也是很有趣的态，但这里不是我们的讨论对象。因为电子不是玻色子，而是所谓的费米子，同时，电子的自旋是普朗克常数的半整数倍，严格地说是二分之一倍，所以电子不可能都进人最低能量态。泡利在1925年就提出，电子满足不相容原理，任何一个量子状态最多只允许有一个电子实现，例如，只有一个电子具备一个特定的速度以及自旋方向。我们能够想象，当电子气体被压缩到一定程度，量子态的数目有限，因此电子只能进人能量由低到高的每一个状态中，这样的电子气体的动能最低，这就是简并气体。
在简并气体中，大多数电子处于高于最低能量的状态中，所以多数电子都有动能，这就产生了压强。简并电子压强与单个电子所占的尺度成正比（因为动量与尺度成反比）。可以想象，当物质密度极高时，电子所占的平均空间尺度足够小从而产生足够大的压强，足以抵抗万有引力，于是，白矮星就形成了。简单的计算告诉我们，质量越大的白矮星，其半径越小，因为它的引力越大，从而需要更高的密度来产生更大的电子压强。有人会问，为什么只考虑电子压强不考虑原子核压强？那是因为在碳和氧为主的白矮星中，这些原子核都是玻色子，不能形成简并气体。
如果白矮星过重，密度可能大到使得多数电子处于接近光速运动的状态中，此时，压强达到极限，这个极限就叫钱德拉塞-卡极限。当质量超过这个极限时会发生什么？理论上，质量比这个极限更大时，万有引力超过了简并压强，白矮星继续坊缩，一直掛缩到所有电子都和原子核中的质子合并成中子，这些中子与原子核中原来的中子形成新的简并气体。这个气体的压强比简并电子气体压强大得多，可以抵抗更强的万有引力。当平衡达到后，就形成中子星。这是下一节讨论的内容。
很多情况下，白矮星会从它的伴星吞食物质，于是白矮星的质量会因此越变越大，在质量超过了钱德拉塞-卡极限的那一刻，并不会产生中子星，而是爆发成超新星。以这种方式爆发的超新星只是所有超新星中的一种，在宇宙学研究中占有很重要的地位，因为它们的亮度比较一致，是所谓的标准烛光，可以用来估算超新星相距我们有多远。这些超新星就是著名的/a型超新星。
在宇宙中，多数白矮星的质量在0.6个太阳质量左右，最轻的白矮星只有太阳质量的五分之一不到，而白矮星的质量极限就叫作钱德拉塞-卡极限，大约是1.4个太阳质量。
多数白矮星内部的温度是1000万摄氏度，而外壳的温度最低可达10000摄氏度，所以它们发出的光频率都很接近，即白光，这是白矮星得名的原因。随着白矮星慢慢地辐射热量，温度会降低。原则上，白矮星可以将所有热量都辐射完，成为“黑矮星”，但辐射完所有热量需要的时间比宇宙现在的年龄还要长得多，故并不存在黑矮星。
物理学家和天文学家对白矮星的物质结构了解得并不全面，有人推测，白矮星物质中的大部分可能是晶体而不是等离子体。
更重的矮子
当恒星的塌缩质量超过钱德拉塞-卡极限，即1.4个太阳质量时，白矮星中的电子简并压强不足以抵抗引力，可能会形成中子星。在这里，我们用“可能”二字的原因是，白矮星也许会在完全坍缩之前抛出一部分物质，从而不会成为中子星。
如果母恒星的质量远大于太阳质量，却小于10个或20个太阳质量，在恒星生命的最后阶段，由于核合成（轻原子核合并为较重的原子核）减少导致辐射压不足以承受引力，恒星先是塌缩，在塌缩过程中产生极高的温度从而引发超新星爆发，超新星的亮度可以超过一个星系的亮度。在超新星爆发之后的遗迹中，可能出现中子星。如果恒星中的金属元素很多，那么质量很大的恒星在超新星爆发之后，遗迹也可能是中子星，而不是质量更重的黑洞。
通常，中子星的质量在1.4〜3.2个太阳质量之间，如果恒星核在爆发之后要重于这个范围的上限，黑洞的形成就不可能避免了。在中子星中，寻常的理论认为物质态处于中子的简并气体状态。因为中子更重，其简并气体中的两个中子之间的距离要远远小于简并电子气体中两个电子之间的距离，所以中子星物质态更重。
我们可以简单地估计一下中子物质态的密度。中子的大小大约是10 -13 厘米，质量大约是10 -27 千克，如果中子物质态中相邻中子之间距离大约就是中子的大小，那么中子物质态的密度就是每立方厘米10 12 千克。确实，更精确的计算告诉我们，中子星的平均密度在3.7x10 11 千克每立方厘米到5.9x10 11 千克每立方厘米之间。也就是说，一立方厘米中的中子物质的重量达到惊人的数千亿吨，一勺中子物质能达到数万亿吨。
我们再通过中子态密度来估计中子星的大小。这很简单，中子星的质量与太阳质量在一个量级，即2x10 30 千克，如果中子星的半径大约是10千米，那么它的体积大约是10 18 立方厘米，这样，这颗星的密度正好就是中子物质的密度。因此，中子星的半径大约是10千米。
这么重的中子态当然会导致强大的引力。在中子星表面，万有引力是地球表面万有引力的1000亿倍。
虽然天文学家早就发现了中子星，但对中子星的结构观测数据并不多。至今，中子星结构理论还有很多的猜测性。比如，有的物理学家认为，当中子星的质量超过两个太阳质量时，物质态就不再是简并中子气体，而是夸克气体。也就是说，中子的结构也被破坏了，中子和中子之间不再存在明显的界限，它们内部的夸克变成气体中的“自由粒子”。这种星叫夸克星。
现在的流行理论认为，至少在中子星的内核，大约半径为3千米以内，物质态是夸克-胶子等离子体，也就是说，这种“气体”是由比中子和质子更加基本的夸克和胶子构成的。过去数年，物理学家通过实验和理论发现，夸克-胶子等离子体不完全是气体，而是一种黏滞性极小的液体。这些新发现对中子星的研究将有所帮助。在半径3～9千米之间，中子星的物态是中子和质子形成的一种费米液体。在费米液体中，粒子之间存在很强的作用，但液体性质很像简并气体。在半径9～10千米或9～11千米之间，是电子、中子和原子核混合物。在这一层之外，即中子星的最外层，物态就是原子核和电子简并气体了。
中子星除了奇高的物质密度和强大的万有引力之外，还有其他极端的性质，如自转速度达到每秒几周，甚至每秒几百周。由于中子星的超高速自转，它还会产生很强的磁极，磁极的存在导致带电粒子在磁场中辐射乂射线和射电，天文学家正是通过发现“脉冲星”而发现中子星的，“脉冲星”就是辐射射电的中子星。
到此为止，我们知道中子星和白矮星密度在天体中分别是冠军和亚军，但是，如果夸克星存在，它们就只能屈居亚军和季军了。
超过10个或20个太阳质量的恒星在燃烧的最后阶段可能塌缩成黑洞，我们在第四章中已经讨论过黑洞了。虽然黑洞在更小的区域具有更大的质量，但我们很难说它们有更大的密度，因为即使在黑洞内部，空间也大部分是真空，而质量却一直向某个奇点塌缩。
水滴态可能存在吗？
这问题的答案在我看来是简单的“不存在”。
首先，《三体》中直接说了，水滴的质量不大，在10吨以下，刘慈欣也直接说了不是用中子物质造的。
其次，它的分子结构非常严密，应该是一种晶体，即使在放大1000万倍后，地球人还是没有看到它的不光滑之处，且分子排列有序，没有任何振动。放大1000万倍，我们原则上可以看见一纳米了，也就是说，几乎能看见原子1或分子了。
刘慈欣假设这种物质结构是由强相互作用力控制的。这个假设不可能正确。很简单，如果物质的基本组成还是分子和原子，那么强相互作用力是核子（即质子和中子）之间的力。这种力的力程由介子的质量决定，也就是大约10 -12 厘米，这个距离比氢原子的大小还要小四个量级，所以强相互作用力在原子构成的材料中不会起到任何作用。
另一个可能是，材料不是原子和分子构成的，而是由更加基本的粒子夸克和胶子构成的，但如果假设夸克是“自由粒子”，夸克之间的距离要比中子的半径还要小，这种物质的密度就太大了，水滴的物质就像夸克星中的物质了。因此，这也不可能。结论是，水滴材料的控制力不可能是强相互作用力。
如果硬要确定水滴的设定成立，我们必须假设一种新型固体。这种固体也许存在，尚待人们去发现。我觉得，石墨烯就是类似水滴需要的材料，不过是二维的，不是三维的。石墨稀是由碳原子构成的二维的网状结构，只有一个碳原子厚，如果放大，就会发现它的基本结构是蜂巢状的。虽然只有一个碳原子厚，但一平方米大小的石墨烯可以承重一只猫，也就是说，石墨烯非常结实。
石墨烯的发现让它的发现者获得了2010年度诺贝尔物理学奖。
也许，制造水滴的材料是一种三维的石墨烯，但还没有任何物理学家敢于想象构成它的是什么原子。
在线阅读网全本在线阅读：http://www.yuedu88.COM/