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现在可以把这个式子代入到不确定性原理中,得到电子由于量子抖动贡献的典型动量:
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其中~符号表示“大致等于”。显然这有些模糊,因为电子不会以完全相同的方式抖动:有一些比典型值更快,另一些更慢。海森伯不确定性原理并不能告诉我们到底有多少个电子在以这个速度运动,有多少个以那个速度运动。相反,它给出了一个更“宽泛”的陈述,说如果你挤压电子的活动空间,那么它会以大致等于h/Δx的动量抖动。我们就取这个典型动量,并假设所有的电子都这样运动。这样做会损失一点精度,但能极大地简化计算,并且我们思考物理的大方向肯定是正确的[277]。
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现在我们知道了电子的速度,这足以计算出它们对小立方体施加的压力。要看出这一点,想象一队电子以相同的速率(v),共同向一面平面镜的方向前进。它们撞上镜面后又弹回来,再次以相同的速率,向与之前相反的方向运动。我们来计算一下这队电子对镜面施加的力。之后我们可以尝试更现实的计算,其中电子并不都向相同方向运动。这种首先考虑待解决问题的一个简化版本的方法在物理学中非常常见。这样就可以研究物理,而不至于贪多嚼不烂,还能增强信心;在这之后再解决更困难的问题。想象这队电子每立方米中包含n个粒子。为方便论证,假设其截面是圆形,面积为1平方米,如图12.4所示。在1秒钟内,将有nv个电子击中镜面(如果v的单位是米每秒的话)。我们知道,从镜面出发到v×1秒距离,这个范围内所有的电子都将在1秒内撞上镜面,即图中画出的圆柱体内的电子。由于圆柱的体积等于其横截面积乘以长度,因此这个圆柱的体积等于v立方米,而因为每立方米体积内有这队电子里的n个,所以每秒钟有nv个电子击中镜面。
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图12.4:一群电子(小点)都朝同一个方向前进。这样尺寸的管子里所有电子每秒钟都会撞到镜子上一次。
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当每个电子从镜面上不损失能量地弹回时,其动量的方向会反转,这意味着每个电子的动量改变量为2mv。现在,就像要把一辆行进的巴士停下来并倒行需要一个力一样,要把电子的动量反转也需要一个力。这又得用到艾萨克·牛顿的工作。在第一章中,我们将它的第二定律写成F=ma,但这是更普遍情形的一种特例,即力等于动量的变化率[278]。因此,整队电子将在镜面上施加合力F=2mv×(nv),而这是每秒队中电子动量的总变化量。由于电子束的面积为1平方米,这也等于队中电子对镜面施加的压力。
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从电子队到电子气只需要向前一小步。电子并不是齐步向着同一个方向前进;必须考虑到,一些电子向上运动,一些向下走,一些向左,等等。最后的净效果是,任何一个方向的压力将减小一个因子6(想想正方体的六个面),变成F=2mv×(nv)/6=nmv2/3。我们可以将式子中的v,用由海森伯原理估计的典型电子速度,即(2)式来代替,从而得到白矮星中电子压强的最终结果[279]:
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你可能还记得,前面说过这只是近似计算。使用更多的数学算式之后,得到的完整结果是:
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这是个不错的结果。它告诉我们,恒星内某处的压强,与那里每单位体积内的电子数的5/3次幂成正比。不必担心,在近似处理中,我们没有把比例系数弄对——重要的是,除此以外的其他一切都是对的。事实上,前面已经说过,我们对电子动量的估计可能有点过大,这就解释了为什么我们对压强的估计比真实值要大[280]。
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用电子数密度来表示压强,是一个好的开始;但使用实际的恒星质量密度来表示压强,更符合我们的目的。可以非常安全地假设,恒星的绝大部分质量来自原子核,而非电子(一个质子的质量几乎是电子的2000倍)。我们还知道,恒星中电子的数量必须等于质子的数量,因为恒星是电中性的。为了得到质量密度,需要知道恒星内部每立方米有多少个质子和中子;我们不应该忘记中子,因为它们是核聚变过程的副产品。对于较轻的白矮星,核心主要是氢核聚变的最终产物氦-4,这意味着质子和中子的数量相等。现在需要引入一点记号。原子量A,通常用于计算原子核内质子和中子的总数,而对于氦-4,A=4。原子核中的质子数用符号Z表示,对于氦来说,Z=2。现在我们可以写下电子数密度n与质量密度ρ的关系:
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n=Zρ/(mpA)
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而我们假设质子质量mp与中子质量相同;这对于我们的目的已经足够精确了。mpA这个量是每个原子核的质量,而p/mpA则是每单位体积的原子核数量,再用Z乘以这个量就得到了单位体积内的质子数,这就是等式所表达的含义。
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我们可以用这个等式代替(3)式中的n;由于n与ρ成比例,所以得出的结果是,压强随着密度的ρ次幂成比例变化。我们刚刚发现的这一突出的物理现象是:
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P=κρ5/3
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而定下压强大小的纯粹数字倒不必太过于担心,这就是我们把它们都绑进符号κ的原因。值得注意的是,κ取决于Z和A之比;因此对于不同种类的白矮星,它的值会有所不同。把一些数绑进一个符号中,有助于“看出”哪些才是重要的。在本例中,这些符号可能会分散我们对要点的注意力,就是恒星中压强和密度的关系。
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在继续之前,请注意,量子抖动产生的压强,并不依赖于恒星的温度。它只与恒星受挤压的程度有关。如果考虑到温度,电子会因此而“正常”地颤动,并贡献额外的压强;而恒星愈热,它就颤动得越厉害。我们没有讨论来自这一部分的压强,因为时间不够;并且如果真的去计算,会发现它在大得多的量子压强面前相形见绌。
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