![]() |
![]() |
|
![]() | ![]() |
Открытие белых карликов. Принцип запрета Паули и предел Чандрасекхара Еще одной макроскопической квантовой системой, наблюдаемой в природе, являются белые карлики. Это звезды с массой, примерно равной солнечной, но радиусом в сотни раз меньше Солнца (т.е. размерами с Землю или даже меньше). Плотность внутри белого карлика такова, что один кубический сантиметр его вещества весит
Из-за гигантской плотности внутри карлика не существует атомно-молекулярной материи, а вместо нее существует только электронно-ядерная плазма. Обычную звезду удерживает от гравитационного коллапса давление ее вещества и света, исходящего из ядра; давление возникает благодаря высокой плотности и температуре звездного вещества. Температура звезды, в свою очередь, обеспечивается постоянным протеканием в ее ядре ядерных реакций. Однако эта энергия постоянно излучается звездой в окружающее пространство, поэтому за миллиарды лет эволюции постепенно истощается, и звезда начинает сжиматься. Белый карлик представляет собой результат такого сжатия. Оказывается, дальнейшее сжатие и охлаждение белого карлика не описывается с помощью классических представлений. Одним из важных свойств, которое никак не может объяснить классическая теория, является отсутствие белых карликов с массой больше примерно 1.4 солнечной.
Чтобы понять суть эффекта, рассмотрим нерелятивистские электроны в объеме Из этих соображений нетрудно подсчитать, что под сферой Ферми находится квантовых состояний — и все они должны быть заполнены электронами. В результате мы получаем зависимость импульса Ферми от концентрации электронов: Полная внутренняя энергия такого идеального вырожденного ферми-газа будет равна сумме энергий всех электронов и может быть также легко вычислена: Мы получили удивительный результат: внутренняя энергия идеального газа при абсолютном нуле температуры не равна нулю, более того, в нем наличествуют частицы с ненулевым импульсом. «Движение» этих частиц не является тепловым, а имеет квантовую природу. Между прочим, за вырожденным квантовым ферми-газом не надо далеко ходить: при температурах порядка комнатной электронный газ в металлах является вырожденным. Внутри белого карлика физическая ситуация оказывается гораздо сложнее: электроны находятся в сильном гравитационном поле при ненулевой температуре (даже поверхность карлика имеет температуру в несколько десятков тысяч кельвин). Однако если посчитать температуру вырождения Таким образом, газ внутри белого карлика сильно вырожден — практически как при абсолютном нуле температуры. В результате он оказывает изнутри существенное противостояние сжатию; давление нерелятивистского вырожденного ферми-газа равно Оказывается, тем не менее, что вырождение электронов не может полностью остановить сжатие звезды: в ней еще есть ядерная материя, не состоящая из тождественных ферми-частиц и описывающаяся другим уравнением состояния. Оказывается, критической точкой, за которой гравитационное сжатие белого карлика уже не может быть остановлено давлением вырожденного электронного газа внутри него, и является предел Чандрасекхара Звезды с массами больше этого предела просто не проживают долго на стадии белого карлика: обычно они взрываются в форме сверхновой. Более того, известны двойные звездные системы, в которых одна звезда — белый карлик — своей гравитацией «снимает стружку» со второй звезды и стягивает ее вещество на себя. Этот процесс называется аккрецией. Если при этом масса белого карлика близка к чандрасекхаровской, в результате аккреции критическая точка может быть пройдена — и тогда белый карлик взрывается. Аналогичный механизм имеет место в случае еще более плотных нейтронных звезд, плотность которых больше ядерной. В этих звездах электроны с протонами порождают нейтроны, поэтому большую часть вещества нейтронной звезды составляют именно нейтроны. Последние, также как и электроны, обладают спином <<К предыдущему эксперименту | Квантовая теория | К следующему эксперименту>> |
|
![]() |
![]() |
![]() |