Вырожденная материя
Вырожденная материя [1] — это очень плотное состояние фермионной материи, в котором принцип запрета Паули оказывает значительное давление в дополнение к тепловому давлению или вместо него. Описание относится к материи, состоящей из электронов , протонов , нейтронов или других фермионов. Этот термин в основном используется в астрофизике для обозначения плотных звездных объектов, где гравитационное давление настолько велико, что квантово-механические эффекты являются значительными. Этот тип материи естественным образом встречается в звездах в их конечных эволюционных состояниях, таких как белые карлики инейтронные звезды , где одного теплового давления недостаточно, чтобы избежать гравитационного коллапса .
Вырожденная материя обычно моделируется как идеальный ферми-газ , ансамбль невзаимодействующих фермионов. В квантово-механическом описании частицы, ограниченные конечным объемом, могут принимать только дискретный набор энергий, называемых квантовыми состояниями . Принцип запрета Паули не позволяет идентичным фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. При самой низкой полной энергии (когда тепловая энергия частиц незначительна) все квантовые состояния с самой низкой энергией заполнены. Это состояние называют полным вырождением. Это давление вырождения остается отличным от нуля даже при температуре абсолютного нуля. [2] [3]Добавление частиц или уменьшение объема заставляет частицы переходить в квантовые состояния с более высокой энергией. В этой ситуации требуется сила сжатия, которая проявляется в виде сопротивления давлению. Ключевой особенностью является то, что это давление вырождения не зависит от температуры, а только от плотности фермионов. Давление вырождения удерживает плотные звезды в равновесии, независимо от тепловой структуры звезды.
Вырожденная масса, фермионы которой имеют скорости, близкие к скорости света (энергия частицы больше, чем энергия ее массы покоя ), называется релятивистской вырожденной материей .
Концепция вырожденных звезд , звездных объектов, состоящих из вырожденной материи, первоначально была разработана совместными усилиями Артура Эддингтона , Ральфа Фаулера и Артура Милна . Эддингтон предположил, что атомы Сириуса B почти полностью ионизированы и плотно упакованы. Фаулер описал белые карлики как состоящие из газа частиц, которые вырождаются при низкой температуре. Милн предположил, что вырожденное вещество находится в большинстве ядер звезд, а не только в компактных звездах . [4] [5]
Если плазма охлаждается и находится под возрастающим давлением, в конечном итоге дальнейшее сжатие плазмы становится невозможным. Это ограничение связано с принципом запрета Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. В этом сильно сжатом состоянии, поскольку нет дополнительного пространства для каких-либо частиц, местоположение частицы чрезвычайно определено. Поскольку местонахождение частиц сильно сжатой плазмы имеет очень низкую неопределенность, их импульс крайне неопределен. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает
Вся материя испытывает как нормальное тепловое давление, так и давление вырождения, но в обычно встречающихся газах тепловое давление доминирует настолько, что давлением вырождения можно пренебречь. Точно так же вырожденное вещество все еще имеет нормальное тепловое давление, давление вырождения доминирует до такой степени, что температура оказывает незначительное влияние на общее давление. На соседнем рисунке показано, как давление ферми-газа достигает насыщения по мере его охлаждения по сравнению с классическим идеальным газом.
