我们在地球上使用的各种能量，不管是电、煤、石油、天然气，还是自己吃到肚子里的面包牛奶，除了核能、地热等少数能量以外，其他的基本上都来自太阳。

 

太阳是一颗黄矮星，寿命大概在100亿年（现在的年龄是45.7亿年），差不多处于青壮年。也就是说，再过50多亿年，太阳的燃料就会燃烧殆尽，寿终正寝。不知道大家有没有想过这样的问题：太阳燃烧殆尽之后会发生什么？

 或者我们先问这样一个问题：太阳是靠什么保持现在这样的“身材”的？

 

太阳何以保持现在状态？

我们先来看一下太阳的基本数据：太阳的质量是地球的33万倍，体积是地球的130万倍，它质量的四分之三都是氢，剩下的基本上都是氦。

 

太阳燃烧能量的来自于氢-氦的热核反应，其实就是核聚变，跟氢弹爆炸产生能量的方式是一样的。也就是说，太阳通过源源不断的氢弹爆炸给太阳系提供能量。

 

太阳的质量这么大，那么它们之间的引力也是非常大的。太阳现在之所以没有被它们之间的引力压缩，是因为现在太阳还很热，这种热压力能够平衡引力。想象一个热气球，把气球里面的气体用火加热之后，它就能产生一股由里而外的热压力把气球撑起来。

 

我们在回顾一下中学的物理，热现象的本质是什么？热无非是分子原子这些基本粒子做无规则运动的一种表现，温度越高，粒子做无规则运动越剧烈，产生的热压力也就越大。

 

也就是说，目前太阳是靠分子原子这种基本粒子的无规则运动来顶住引力的。

 

那么太阳燃烧完了以后呢？没有燃料了，太阳的温度肯定就降下来了，温度降下来了热压力肯定也就想对应的减小了，那么这时候热压力就会比引力小，那么太阳肯定要在引力的作用下开始被压缩，也就是坍缩。

 

但问题的关键是：坍缩到何时是个头？

 

坍缩的过程

我们回顾一下物质的组成：分子由多个原子组成，原子由原子核和绕原子核的运动的电子组成，原子核由质子和中子组成，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

 

当恒星的燃料燃烧完了之后，分子原子的运动速度越来越慢，这时候在分子原子这一层是没有什么力量能够对抗引力的了，这时候我们必须把眼光放到下一层来：原子核和电子。

 

原子由原子核和核外电子组成，如果原子是一个足球场，那么原子核就相当于一只蚂蚁，但是原子核这只蚂蚁却占了原子99.96%以上的质量，所以原子核外面其实是很空的。

 

强大的引力继续压缩，这时候就会影响电子的正常运动范围了。引力迫使电子慢慢像原子核聚集，随着引力的增大，电子可以活动的范围越来越小，这种小会无限的小下去么？

 

电子简并压力

我们都知道波粒二象性是微观粒子的基本属性，电子当然也是这样。当引力很大，电子不得不在很小的范围内运动的时候，从波的属性来看，当电子被限制在非常小的空间里运动的时候，电子的波长一定是很短的，波长短意味着能量高，能量高意味着快速的运动。

 

电子的这种高速不规则运动会产生一种新的抵抗引力的压力，物理学家们称这种压力为简并压力，由电子产生就叫电子简并压力。

 

于是，在恒星没有燃料坍缩的过程中，如果这种电子简并压力能够顶住引力，那么这个恒星就可以重新达到一种平动态的平衡，从而使恒星处于一种新的稳定状态。

 

这样的恒星我们称之为白矮星。

 

但是，如果恒星的质量太大，引力太大，电子简并压力顶不住怎么办？

 

中子星

当引力大于电子简并压力的时候，电子顶不住那就没办法了，只能继续进一步被压缩，那能压缩到哪里去呢？电子是围绕原子核做高速运动，如果电子顶不住，那电子就只能被压缩到原子核里面去了。

 

原子核由质子和中子组成，其中质子带正电，中子不带点，而我们都知道电子是带负电的。那么，电子被压到原子核里面以后会发生什么呢？

 

一个很自然的想法：质子带正电，电子带负电，而原子整体不带电，那么质子和电子的电量肯定是相同的。那么，带正电的质子和带负电的电子会不会结合起来然后就呈中性了？

 

你别说，答案还真是这样的，电子被压入原子核以后，就和质子结合形成了中子。而中子是不带电的，这样一来，原子内部再没有质子没有电子，全部变成了中子。

 

然后你就看到我们的恒星变成了一堆中子。

 

跟电子简并压力原理一样，这么一大堆中子被压缩在一起，肯定会形成压力更大的中子简并压力。如果这种中子简并压力能够顶住坍缩的引力，那么恒星又会再一次处于一种稳定状态，那么这样的星体就叫中子星。

 

同样的，我们还是要继续问一个问题：如果引力实在太大，连中子简并压力都顶不住怎么办？

 

是否有夸克星？

按照我们上面的思路，中子如果顶不住，那么肯定就必须进入下一层。

 

中子是由夸克组成的，具体来说是两个下夸克和一个上夸克。如果中子简并压力依然顶不住引力，可以想象，中子应该会被压碎，最后全部变成一堆夸克，那么这个恒星看起来就像是一堆夸克组成的。

 

然后我们似乎可以称这种星体为夸克星，夸克之间的简并压力顶住引力从而达到平衡。

 

再然后，吃瓜群众似乎还会继续问：如果夸克简并压力依然顶不住引力怎么办？会不会把夸克压碎再进入下一层？

 

当然，你确实可以这样问，但是不一定有人能给出答案。白矮星和中子星是天文学家实际观测到了，夸克星还只是一个猜想，没有被真是的观测到，到底有没有夸克星我们现在也不得而知，那夸克星更下一层的我们就更加不知道了。

 

有没有夸克简并压力跟引力平衡从而形成的夸克星我们不知道，但是我们知道：任何简并压力（不管是电子、中子还是未知的夸克或者再下层的）都顶不住引力的星体是存在的。

 

黑洞

如果一个星体，因为质量太大引力太大，结果使得任何简并压力都无法顶住它的引力，这回是怎样一种情况呢？这个恒星会变成什么样子呢？

 

我相信很多人都能想象这个画面，既然任何简并压力都顶不住压力，那么恒星会把电子入原子核，再把中子压碎，再把夸克压碎，再把一切的一切都压碎，这种东西会是什么呢？

 

相信有两个字在很多人的嘴里已经呼之欲出了，没错，这种引力碾压一切简并压力的星体就是黑洞。

 

从文章的开始走到现在，相信大家心里都有一个概念了。不同质量的恒星引力不一样，然后就重点看那一个层面的简并压力能够顶住这个引力，电子简并压力能够顶住引力就成了白矮星，中子简并压力才能顶住引力的就成了中子星，啥简并压力都顶不住引力的就变成了黑洞。

 

太阳的终极命运

再回到最开始的问题，按照这样的分析，我们太阳的最终命运会是怎样的呢？

 

下图给出了一副不同质量恒星的坍缩图，白色部分表示引力超过压力，阴影部分表示压力超过引力。

很显然，不管是引力大于压力还是压力大于引力，这都是不稳定的状态，恒星要最终稳定在一个状态，必须是引力和压力相同。而引力和压力相同的点就都在那条曲线上，也就是说，只有曲线上的点才是稳定的。

 

所以我们看到，太阳对应的是白矮星的曲线，也就是说：太阳的燃料燃烧殆尽之后，会变成一颗白矮星。

我是【长尾科技】，一个致力于用最通俗的语言科普相对论、量子力学、计算机、数学等高深理论的科技媒体。关注微信公众号【长尾科技】，回复“相对论”、“量子力学”获取最新的原创文章，有问题可以回复“【提问】+你的问题”，期待你的到来~