黑洞是宇宙中的極端天體，理論上,，只要把足夠的質(zhì)量擠入一個(gè)足夠小的體積中,，結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑洞。從它表面逃逸所需的速度將達(dá)到光速,，因?yàn)楣馑偈亲羁斓乃俣?，所以任何東西都無法從黑洞中逃出來。

雖然理論上制造黑洞很容易,，但實(shí)際的正常物質(zhì)很難做到這一點(diǎn),。氫是宇宙中最常見的元素，它會(huì)在高溫和高密度的連鎖反應(yīng)中融合形成一顆恒星,，而不是黑洞,。像白矮星和中子星這樣的恒星核,，也能抵抗住引力坍縮，避免成為黑洞,。白矮星的質(zhì)量只能達(dá)到太陽的1.4倍,，而中子星的質(zhì)量可以達(dá)到太陽的二至三倍。那么,，為什么會(huì)有這樣的差別呢,？

在我們的宇宙中，我們所知道的基于物質(zhì)的物體都是由一些簡單的成分組成的,，即質(zhì)子,、中子和電子。每一個(gè)質(zhì)子和中子都由三個(gè)夸克組成,，一個(gè)質(zhì)子包含兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克,，一個(gè)中子包含一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克。另一方面,，電子本身就是基本粒子,。粒子有兩類，即費(fèi)米子和玻色子,，夸克和電子都是費(fèi)米子,。

事實(shí)證明，當(dāng)涉及到黑洞形成的問題時(shí),，這些分類特性是至關(guān)重要的,。費(fèi)米子有一些特性玻色子沒有，包括：（1）費(fèi)米子有半整數(shù)自旋（如±1/2,，±3/2,，±5/2等），玻色子是整數(shù)自旋（0,，±1,，±2等）；（2）費(fèi)米子有對(duì)應(yīng)的反粒子,，玻色子沒有,；（3）費(fèi)米子滿足泡利不相容原理；（4）最后一個(gè)特性是防止物質(zhì)坍縮成黑洞的關(guān)鍵,。

泡利不相容原理只適用于費(fèi)米子,，而非玻色子，這個(gè)原理表明在任何量子系統(tǒng)中,，沒有兩個(gè)費(fèi)米子可以占據(jù)相同的量子態(tài),。也就是說，如果把一個(gè)電子放在一個(gè)特定的位置，它會(huì)在那個(gè)狀態(tài)下有一組性質(zhì)：能級(jí),、角動(dòng)量等等。

然而如果把第二個(gè)電子放到系統(tǒng)中相同的位置,，它就被禁止擁有相同的量子數(shù),。它必須要么占據(jù)一個(gè)不同的能級(jí)，有一個(gè)不同的自旋（如果第一個(gè)是-1/2,，它就是+1/2）,，要么在空間中占據(jù)一個(gè)不同的位置。

這就是為什么原子有不同的性質(zhì),，為什么原子在復(fù)雜的組合中如此結(jié)合在一起,，以及為什么元素周期表中的每一個(gè)元素都是獨(dú)一無二的，因?yàn)槊糠N原子的電子排布不同于其他原子,。

質(zhì)子和中子相似,。盡管它們是由三個(gè)夸克組成的復(fù)合粒子，但它們表現(xiàn)得就像單個(gè)的費(fèi)米子一樣,。它們也遵循泡利不相容原理,，沒有兩個(gè)質(zhì)子或中子可以占據(jù)相同的量子態(tài)。電子是費(fèi)米子,，這是防止白矮星在自身引力下坍縮的原因,；同樣中子是費(fèi)米子，這也阻止了中子星進(jìn)一步坍縮,。泡利不相容原理是防止所有最致密的天體成為黑洞的原因,。

當(dāng)觀察宇宙中的白矮星時(shí)，它們的質(zhì)量上限大約在1.4倍太陽質(zhì)量,，即錢德拉塞卡質(zhì)量極限,。由于沒有兩個(gè)電子能占據(jù)相同的量子態(tài)，因此量子簡并壓力是阻止黑洞形成的原因,，直到超過極限值,。

在中子星中，有一個(gè)類似的質(zhì)量極限：托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限,。最初預(yù)計(jì)這將與錢德拉塞卡質(zhì)量極限相同,，因?yàn)榛A(chǔ)物理是相同的。當(dāng)然,，并不是特定的電子提供了量子簡并壓力,，但是原理（和方程式）幾乎是一樣的。根據(jù)觀測可知,，中子星的質(zhì)量比1.4倍太陽質(zhì)量要大得多,，可能會(huì)上升到太陽質(zhì)量的2.3或2.5倍。

不過這種差異是有原因的。在中子星中,，強(qiáng)大的核力起了作用,，對(duì)比費(fèi)米子冷氣體的簡單模型，它造成了更大的有效排斥力,。在過去的20多年里,，中子星理論質(zhì)量極限的計(jì)算結(jié)果有很大變化：從大約1.5倍到3.3倍太陽質(zhì)量。數(shù)值不確定的原因是對(duì)極其致密物質(zhì)行為的未知,，就像原子核中的密度一樣,，都是不了解的。

或者更確切地說,，這些未知事件困擾了我們很長一段時(shí)間,，直到上個(gè)月的一篇新論文改變了這一切。論文作者V. D. Burkert,，L. Elouadrhiri和F. X. Girod剛?cè)〉昧岁P(guān)鍵的進(jìn)展,，用于了解中子星內(nèi)部發(fā)生的事情。

在過去的幾十年里,，質(zhì)子和中子的核子模型已經(jīng)有了很大提高,，同時(shí)也改善了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。最新的研究使用了一種被稱為康普頓散射的老技術(shù),，把電子發(fā)射到質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去探測它的結(jié)構(gòu),。當(dāng)一個(gè)電子與一個(gè)夸克相互作用時(shí)，它會(huì)釋放一個(gè)高能光子,，以及一個(gè)散射的電子,，并導(dǎo)致核反沖。通過測量這三種產(chǎn)物,，可以計(jì)算出原子核內(nèi)夸克經(jīng)受的壓力分布,。發(fā)現(xiàn)結(jié)果令人震驚，質(zhì)子中心附近的平均峰值壓強(qiáng)達(dá)到10^35帕斯卡,，比中子星內(nèi)部壓強(qiáng)還大,。

換句話說，了解了單個(gè)核子內(nèi)部的壓力分布,，我們可以計(jì)算出什么時(shí)候,，在什么條件下可以克服這種壓力。雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)只針對(duì)質(zhì)子,，但中子的結(jié)果應(yīng)該類似,，也就是說在未來，我們應(yīng)該能夠計(jì)算出更精確的中子星質(zhì)量極限,。

質(zhì)子內(nèi)部巨大壓力的測量結(jié)果以及壓力的分布,，向我們展現(xiàn)了防止中子星坍塌的原因。每個(gè)質(zhì)子和中子的內(nèi)部壓力來源于強(qiáng)核力，這種壓力支撐著中子星,。我們?cè)诰_確定質(zhì)量閾值上得到了很大提升,。除了依賴天體物理學(xué)的觀測，核物理實(shí)驗(yàn)可能提供了理論上理解中子星極限所在的路標(biāo),。

相關(guān)研究論文已經(jīng)發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上,。