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白矮星如何抵抗引力塌缩？

奚诗科技 05-29 【科技】 265人已围观

摘要白矮星如何抵抗引力塌缩？《张朝阳的物理课》计算简并电子气的简并压白矮星是一种高度致密的恒星残骸，它由原来的恒星在耗尽核燃料后发生引力塌缩形成。然而，白矮星并不会继续塌缩至无限密度，因为存在一种力，被称

白矮星是一种高度致密的恒星残骸，它由原来的恒星在耗尽核燃料后发生引力塌缩形成。然而，白矮星并不会继续塌缩至无限密度，因为存在一种力，被称为简并压，它可以抵抗引力的作用。

简并压是由于量子力学效应导致的，它与费米子统计有关。在白矮星内部，存在大量的电子，这些电子被称为简并电子气。根据泡利不相容原理，每个量子态（也称为自旋态）只能容纳一个电子。由于简并电子气中的电子不断填充量子态，从低能态到高能态逐渐填满，不同能级上的电子具有不同的动量，这就形成了简并压。

简并压可以解释为什么白矮星不会无限压缩。在白矮星内部，电子的简并压力与引力的塌缩力相互作用。当引力塌缩将电子压缩到更高的能级时，简并压力也会增加，通过这种压力的增加，电子将产生抵抗进一步压缩的力。简并压力与引力塌缩力之间会达到平衡，从而保持白矮星的稳定状态。

当白矮星的质量超过所谓的钱德拉塞卡极限（Chandrasekhar limit），大约为1.44倍太阳质量时，简并压将无法抵抗引力的作用。这时，白矮星会进一步坍缩形成更致密的天体，例如中子星或黑洞。

在量子力学中，计算简并电子气的简并压是一个复杂的问题。简并压力与电子的分布和动量分布密切相关，需要采用数学工具来解决和计算。

计算简并电子气的简并压有许多不同的方法，其中一种常用的方法是使用费米气体模型。该模型假设电子是自由粒子，并遵循费米狄拉克统计。在这个模型中，我们可以定义费米能级（或称化学势），其决定了电子的填充状态和能级分布。

通过建立简并电子气的能级分布函数，我们可以计算简并压力。一种常用的方法是使用费米积分，将电子在动量空间上的分布转换为能量空间上的分布。通过对能级分布函数的积分，我们可以得到简并压力的表达式。

对于复杂的系统，如具有不同电子能带的固体，计算简并压会更加困难。在这种情况下，我们需要使用更复杂的数值方法或近似方法来解决方程。这可能包括使用密度泛函理论（DFT）等。

《张朝阳的物理课》中计算简并电子气的简并压是一个涉及量子力学和统计物理的复杂问题，需要使用适当的数学工具和方法来解决。