《三体》中的物理学：水滴态可能存在吗？(6)

满足不确定性原理的粒子气体会怎么样呢？根据不确定性原理，这样的粒子的动量与粒子所占的空间尺度成反比，动量是尺度倒数的整数倍。假如所有粒子是所谓的玻色子（自旋角动量是普朗克常数的整数倍），这些粒子会进入最低的能量态——玻色-爱因斯坦凝聚状态也是很有趣的态，但不是我们这里讨论的对象。因为电子不是玻色子，而是所谓的费米子，因为电子的自旋是普朗克常数的半整数倍，严格地说是二分之一倍，电子不可能都进入最低能量态。泡利在1925年就提出，电子满足不相容原理，任何一个量子状态中最多只允许有一个电子实现，例如，只有一个电子具备一个特定的速度和自旋方向。我们能够想象，当电子气体被压缩到一定程度，量子态的数目有限，因此电子只能进入能量由低到高的每一个状态中，这样的电子气体的动能最低，这就是简并气体。
在简并气体中，大多数电子处于高于最低能量的状态中，所以多数电子都有动能，这就产生了压强。简并电子压强与单个电子所占的尺度成正比（因为动量与尺度成反比）。可以想象，当物质密度极高时，电子所占的平均空间尺度足够小，从而产生足够大的压强，足以抵抗万有引力，于是白矮星就形成了。简单的计算告诉我们，质量越大的白矮星，其半径越小，因为它的引力越大，从而需要更高的密度来产生更大的电子压强。有人会问，为什么只考虑电子压强而不考虑原子核压强？这是因为在碳和氧为主的白矮星中，这些原子核都是玻色子，不能形成简并气体。
如果白矮星过重，密度可能大到使得多数电子处于接近光速运动的状态，此时，压强达到极限，这个极限就叫钱德拉塞卡极限。当质量超过这个极限时会发生什么？理论上，质量比这个极限更大时，万有引力超过了简并压强，白矮星继续坍缩，一直坍缩到所有电子都和原子核中的质子合并成中子，这些中子与原子核中原来的中子形成新的简并气体，这个气体的压强比简并电子气体的压强大得多，可以抵抗更强的万有引力，当平衡达到后，就形成中子星，这是下一节将要讨论的内容。
很多情况下，白矮星会从它的伴星吞食物质，于是白矮星的质量会越变越大，在质量超过钱德拉塞卡极限那一刻，并不会产生中子星，而是爆发成超新星。这种超新星只是所有超新星中的一种，在宇宙学研究中占有很重要的地位，因为它们的亮度比较一致，是所谓的标准烛光，可以用来估算超新星距离我们有多远。这些超新星就是著名的Ia型超新星。
在宇宙中，多数白矮星的质量在0.6个太阳质量左右，最轻的白矮星只有太阳质量的五分之一不到，而白矮星的质量极限原则上就是钱德拉塞卡极限，大约是1.4个太阳质量。