很多看似不相關的事物，實際上存在著非常密切的聯絡。

至大與至小之間也許存在著令人意想不到的關係。

請大家耐心往下看

1.3億年前，兩顆中子星合併，

釋放出帶有巨大能量的引力波，

在地球上人類公元紀年的2017年，

它到達了地球，

這是人類第一次與引力波邂逅

引力波訊號（https://jila.colorado.edu/~ajsh/courses/astr1200_18/gw.html）

此後，不斷有新的引力波被探測到，

有雙中子星合併，有黑洞合併，

也有黑洞吞併中子星，

中子星和黑洞質量分佈，縱座標是質量（以太陽質量為單位）。https://media.ligo.northwestern.edu/gallery/

隨著越來越多的中子星和黑洞被發現，

人們發現了一個奇怪的現象：

中子星的質量最大也就在大約兩倍太陽質量，

黑洞質量最小也至少是五倍太陽質量左右，

在兩倍太陽質量與五倍太陽質量之間的，

到底是什麼呢？

要想回答這個問題，就必須要清楚天體的內部結構。構成普通恆星的基本單元是原子，原子由原子核與核外電子構成。由於泡利不相容原理，對於特定原子核，核外電子的數量是有上限的，當兩個原子靠的很近時，就會產生強大的排斥力，普通恆星就是透過這種排斥力與自身引力抗衡，維持平衡而不坍縮。

但是當恆星的質量大於某個閾值時，這種排斥力也無法對抗自身的重力，核外電子就會被強大的壓力壓入原子核，與原子核內的質子生成中子，恆星也就變成了中子星了。這是對中子星的傳統認識。那麼這種認識是否正確呢？

中子星是宇宙中密度最高的物體，它的結構與日常所見之物差異巨大。然而，其內部結構一直沒有確切的解釋和驗證。從中子星的名字就可以看出，中子星主要由中子組成。

中子並不是基本粒子，而是由夸克構成的。夸克與夸克之間透過強相互作用形成複合粒子，比如說三個夸克就能構成所謂的強子（Hadron）。質子和中子都屬於強子，質子是由兩個上夸克和一個下夸克構成的，中子是由一個上夸克和兩個下夸克構成的。當密度非常小時，強子物質的形態為氣態，而隨著密度不斷增加，強子之間的間隔會不斷的縮小，當密度超過某一個臨界值時，強子強子之間會出現重疊，再繼續增加密度，強子物質還能保持完整的個體嗎？

在中子星的核心部分，中子是否會被壓碎，形成夸克由夸克直接構成的核心？或者，有沒有可能直接形成所謂的“夸克星”？我們所認為的中子星會不會就是夸克星？

不斷壓縮中子

不管是中子星還是夸克星，都是理論上的可能，透過理論計算，每一種都有可能存在，也都有能符合目前對中子星的觀測，那麼哪一種才是正確的呢？除了透過天文觀測，還有其它的實驗方法能對這些理論作出篩選嗎？

中子星內部結構的研究，本質上就是對強相互作用物質在高密（低溫）下的性質。一般來說，我們主要研究的是強相互作用物質在不同溫度和密度下的性質，而不同溫度密度下強相互作用物質的物態可以用下面這張相圖來表示：

強相互作用物質相圖。橫座標是密度，縱座標是溫度

當密度比較低且溫度也比較低時，這樣的物質為強子氣態；而溫度比較高時，就會變成所謂的“夸克膠子等離子體”；溫度較高且密度為零時，實際上就是宇宙大爆炸初期的狀態。而溫度比較低且密度比較高時，就是我們本文主要關心的中子星的內部結構問題。然而，這張相圖上的結構大部分都是大家“想當然”的結果，大部分割槽域並不是從第一性原理出發計算得到的。這是由於數學上的原因導致的。

對於相圖的探索，不僅需要理論，更需要實驗上的觀測。與大眾比較熟知的正負電子對撞不同，為了產生高溫高密的物質，需要進行重離子對撞。重離子對撞最早是由李政道先生在1970年提出的，透過加速重原子核——比如金核——到接近光速進行對撞，此時的原子核的運動是相對論性的，能量非常高，以此從真空中激發出大量的粒子。

重離子對撞演化示意圖。

原子核形狀近似為球體，原子核被加速到接近光速時，其在運動方向由於洛倫茲收縮變得非常窄，對撞時系統的形狀為橢球狀。接近光速的兩個原子核相互對撞，相撞的部分瞬間升溫熔化，變為一團“夸克膠子等離子體”（QGP）。這團物體又迅速演化，先是膨脹，然後迅速降溫，當達到一個“冷凝點”時，粒子開始大量從QGP中飛出，最終被探測器探測到。透過調節對撞能量，能夠調節透過對末態粒子行為分析，就可以反推出中間過程物質的性質。也就是強相互作用物質在高溫/低溫、高密狀態性的性質。

人類對中子星的研究已經有幾十年的歷史了，隨著近幾年引力波的發現，又掀起了一股新的研究中子星的熱潮。雖然我們對於中子星結構的認識不斷加深，但是很遺憾的是，即使是目前，並沒有任何一種理論和實驗能確定其內部結構。兩倍太陽質量與五倍太陽質量之間，我們還無法確定存在著怎樣的物理結構。

非常有意思的是，為了研究宇宙中宏觀天體的性質，我們需要了解構成此天體的物質基本單元的性質；透過研究基本粒子的性質，我們可以得到宏觀宇宙中天體的性質。我們在地球上對微觀粒子的研究，給出了遙遠宇宙中天體的性質；透過觀測宇宙中天體的性質，我們能知道基本粒子的性質。在這裡，宏觀和微觀非常好的結合起來了，基本粒子與宇宙天體展現出了密切的聯絡。

用物理學的知識解釋了魔術中的一些原因，這是很有趣的事情

物理學和我們生活密切相關，用物理學的知識解釋我們生活當中的一些現象，讓我們更深層的理解我們生活當中碰到的事物，讓我們更明事理，如果喜歡探索未知事物，對物理會很著迷，而且會學的很棒