Strona głównaPytania → Czy materia ma maksymalny poziom...

Czy materia ma maksymalny poziom zagęszczenia?

Pytanie

Pyta Łukasz

Czy materia ma maksymalny poziom zagęszczenia i tym samym maksymalną masę w danej jednostce objętości? Ułożone jeden obok drugiego najcięższe cząstki elementarne w taki sposób, że nie ma już miejsca na następną?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Za maksymalny możliwy poziom zagęszczenia materii można uznać gęstość, przy której powstaje czarna dziura. Innymi słowy, dla zadanej i ustalonej masy $M$, zmniejszanie objętości którą ta masa zajmuje powoduje zwiększenie zakrzywienia czasoprzestrzeni – aż w pewnym momencie to zakrzywienie będzie tak duże, że nie będziemy w stanie dostrzec tej masy. Jeśli rozważana masa zajmowałaby objętość kulistą, to promień takiej kuli przy której powstaje czarna dziura nazywany jest promieniem Schwarzschilda i wynosi on

$$
R=\frac{2GM}{c^2},
$$

gdzie $G$ to stała grawitacji, a $c$ to prędkość światła. Dla przykładu, dla Słońca promień Schwarzschilda wynosi 2953 metry – tzn. jeśli byśmy Słońce skurczyli do takiego rozmiaru to zamieniłoby się ono w czarną dziurę.

Należy podkreślić, iż czarne dziury są obiektami których istnienie przewiduje ogólna teoria względności, natomiast nie rozumiemy dokładnie mechanizmu ich powstawania. Jeśli gęstość materii (złożonej z jakichś znanych nam pierwiastków) będzie się zwiększać, to przy opisie jej stanu coraz istotniejsze będą efekty kwantowe. Uwzględnienie zarówno efektów kwantowych jak i ogólnej teorii względności wymaga zastosowania tzw. teorii kwantowej grawitacji, lecz dotychczas teoria taka nie jest zrozumiana. Niemniej jednak, bardzo gęste stany materii, w których przejawia się kwantowy charakter jej składników, w przyrodzie występują, i jesteśmy w stanie je w pewnym stopniu obserwować i zrozumieć – przykładem takich bardzo gęstych obiektów są gwiazdy neutronowe. Gwiazdy takie powstają w wyniku zapadnia się (pod wpływem siły grawitacji) materii zwykłej gwiazdy, kiedy już wypali się w niej cały wodór i przestaną zachodzić reakcje termojądrowe. Gęstość gwiazdy neutronowej jest tak duża, że elektrony z powłok elektronowych zlewają się z protonami obecnymi w jądrze, w wyniku czego powstaje ośrodek złożony w przeważającej części z neutronów. Tak wielkich gęstości nie jesteśmy w stanie wytworzyć w laboratorium – zatem można powiedzieć, że gwiazdy neutronowe są najgęstszymi obiektami, jakie jesteśmy w stanie obserwować. Gwiazda neutronowa o masie Słońca miałaby promień kilkunastu kilometrów – jest to zatem niewiele więcej, niż wspomniany wyżej promień Schwarzschilda dla Słońca (który wynosi niecałe 3 kilometry). Można podejrzewać, że w wyniku dalszej ewolucji gwiazdy neutronowe mogą przekształcać się w czarne dziury – jednakże procesu takiego jak na razie nie rozumiemy, m.in. z powodu wspomnianych wyżej trudności w sformułowaniu kwantowej teorii grawitacji.