从微观角度来讲,我们平常所看到的物体其实都是由一大堆 原子 构成,根据原子的种类和结合方式的不同,物体的硬度也大不一样,比如说金刚石就是全部由碳原子构成,其结合方式为:每一个碳原子都会通过共价键与它旁边的4个碳原子结合在一起,从而形成下图这样的晶体结构。

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在这样的结构中,碳原子所有的“价电子”都参与了共价键的形成,与大多数由种类相同的原子之间形成的共价键相比,碳原子之间形成的共价键的键长更短、键能更高,而其三维的构型又非常有利于将局部受到的外力迅速分担到晶体各处,因此金刚石的硬度就相当高。

实际上,金刚石的莫氏硬度达到了10,并因此成为了地球上天然存在的最硬物质。之所以要加上“天然存在”这个限定,是因为金刚石的硬度还是比不上一些人工合成的物质,例如聚合钻石纳米棒、人工蓝丝黛尔石、碳炔等等。

当然了,这些人工合成的物质的硬度在 宇宙 中也算不上什么,那已知宇宙中最硬的物质是什么呢?

在已知宇宙中,最硬的物质应该来自 中子星 ,根据科学家的计算,这种物质比钢还硬100亿倍。人们还给这种物质起了一个有意思的名字——“核意面”,下面我们就来了解一下。

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不管是金刚石还是人工合成的物质,它们的硬度都受限于化学键的强度,而化学键的本质就是原子之间的相互作用,由于原子的内部其实是很空旷的,因此假如有一种力量能够将原子“压碎”,然后将构成原子的中子、质子和电子紧紧地压在一起,就可以突破化学键的限制,如此一来,物质的硬度就可能会大幅度地提升。

其实引力就可以成为这样一种力量,也就是说,在那些 引力场 非常强大的天体上,就很可能存在硬度极高的物质。

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在已知宇宙中,黑洞是引力场最强的天体,但由于我们对黑洞的内部情况基本上是一无所知,因此黑洞并不在“物质硬度”的讨论范围之内,而除了黑洞之外,中子星的引力场无疑就是最强的了。

需要注意的是,中子星并不是全部由中子构成,根据科学家的研究,中子的质量大约占中子星总质量的95%,其它的质量则是质子和电子,而在中子星的外层结构之中,甚至还包含了大量的原子核。

除此之外,中子星也不是全部都由固态物质组成。

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上图为科学家们经过多年研究后给出的中子星内部结构图,按从外到内的顺序分别是:“大气层”、“外地壳”、“内地壳”、“外核”和“内核”。

科学家认为,中子星的“大气层”的厚度只有几毫米,主要由氢、氦和碳构成,其动力学完全由中子星的磁场控制,中子星的“外地壳”则是一个固体结构,主要由重元素的原子核和电子构成。

这里需要说明一下,“外地壳”中的原子核和电子并没有结合成完整的原子,对此我们可以简单地理解为,中子星的“外地壳”其实就是一大堆被中子星的引力场“压碎”了的原子,但由于它们受到的力还不足以将电子压进原子核里,因此这些“原子碎片”就被紧紧地压在了一起,形成了一种奇特的固体结构。

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实际上,中子星只有“外地壳”是固态结构,因为在中子星“内地壳”和“外核”之中的物质,会因为极高的温度与压强而呈现出流体的性质,至于中子星“内核”中的物质,暂时还没有最终结论,科学家推测,在这片区域中的物质很可能是一种“夸克-胶子等离子体”。

我们知道,只有固态物质才有硬度可言,这就意味着,只有中子星的“外地壳”才具有“硬度”这个特征

随着深度的增加,中子星“外地壳”中的物质受到的压力也就越来越大,其硬度也会越来越高,所以中子星上最硬的物质就出现在“外地壳”和“内地壳”的过渡区域(毕竟“内地壳”中的物质已经是流体,而流体没有“硬度”可言)。

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上图为科学家推测出的这种物质的多种微观结构,可以看到,这样的结构就像“意大利面食”一样,由于这种物质的主要质量是由原子核提供的,因此人们就将其称为“核意面”(Nuclear Pasta)。

有意思的是,人们甚至还给不同的结构起上了更细致的名字,比如说“意大利团子”(Gnocchi)、“千层面”(Lasagna)、“华夫饼”(Waffles)等等。

为了测试“核意面”的硬度,科学家根据中子星的形成条件、已知的观测数据以及相关的理论建立起了计算机模型,在经过一系列的模拟测试之后,科学家最终得出的结果为,“核意面”比钢还硬100亿倍!

因为除了黑洞之外,已知宇宙中再没有比中子星引力场更强的天体了,所以“核意面”也被认为是已知宇宙中最硬的物质。

值得一提的是,“核意面”只能在中子星这样的极端引力场中才可能存在,一旦脱离中子星的引力束缚,“核意面”的致密结构就会瞬间消失,同时释放出大量的能量。

另一方面来讲,中子星上的物质密度至少都可以达到每立方厘米10^11千克(1000亿千克),因此可以说,就算不考虑宇宙中的距离问题,我们人类也不可能利用“核意面”来制造物品(至少在可以预见的未来里是这样)。

参考资料:

Elasticity of Nuclear Pasta,M.E. Caplan, A.S. Schneider, and C.J. Horowitz,Phys. Rev. Lett. 121, 132701 – Published 24 September 2018.

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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