مادة متحللة

إذا ما تم تبريد البلازما ووضعها تحت ضغط متزايد سنصل لمرحلة لا يمكن بعدها ضغط البلازما بشكل أكبر. يعود هذا الحد إلى مبدأ استبعاد باولي الذي ينص على أنه لا يمكن لفرميتين التواجد في نفس الحالة الكمومية. وعندما تكون المادة في هذه الحالة الشديدة الانضغاط يتم تحديد موقع الجسيمات بشكل دقيق نظرًا لعدم وجود مساحة إضافية لأي جزيئات. وتكون قوة دفع جزيئات البلازما المضغوطة للغاية غير معروفة بدقة. نص مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ:

${\displaystyle \Delta p\Delta x\geq {\frac {\hbar }{2}}}$,

حيث Δp هو قيمة الشك في قوة دفع الجسيم و Δx هو قيمة الشك في مكان التموضع. لذلك وعلى الرغم من أن البلازما باردة يجب أن تتحرك هذه الجسيمات بسرعة كبيرة. تؤدي الطاقات الحركية الكبيرة إلى استنتاج أنه من أجل ضغط جسم ما في مساحة صغيرة جدًا يلزم وجود قوة هائلة للتحكم في قوة دفع جسيماتها.

وعلى عكس الغاز المثالي الكلاسيكي الذي يتناسب ضغطه مع درجة حرارته يكون:

${\displaystyle PV=Nk_{\rm {B}}T}$,

حيث P هو الضغط، و V هو الحجم، و N هو عدد الجسيمات (عادة عدد الذرات أو الجزيئات)، kB هو ثابت بولتزمان، و T درجة الحرارة، يعتمد الضغط الذي تمارسه المادة المتحللة على درجة الحرارة بشكل ضعيف، حيث يبقى الضغط غير صفري حتى عند درجة حرارة الصفر المطلقة. يمكن في كثافات منخفضة نسبيًا استنتاج ضغط الغاز المنحل تمامًا من خلال اعتباره كغاز فيرمي مثالي، وبهذه الطريقة يكون:

${\displaystyle P=K\left({\frac {N}{V}}\right)^{5/3}}$,

حيث يعتمد المعامل K على خصائص الجسيمات التي تشكل الغاز. يتم استنتاج الضغط عند الكثافات العالية جدًا حيث يتم إجبار معظم الجسيمات على الدخول في حالات كمومية ذات طاقات نسبية كالتالي:

${\displaystyle P=K\left({\frac {N}{V}}\right)^{4/3}}$,

حيث يعتمد K أيضًا على خصائص الجسيمات التي تشكل الغاز.[4]

تختبر جميع المواد كل من حالات الضغط الحراري العادي وضغط الانحلال، ولكن يغلب الضغط الحراري في الغازات المنتشرة عادة إلى درجة أنه يمكن تجاهل ضغط الانحلال. ولا يزال للمادة المنحلة ضغط حراري طبيعي، لكن يغلب في الكثافة العالية جدا حالة ضغط الانحلال.

من الأمثلة الغريبة للمواد المنحلة: المادة المنحلة بالنيوترونات والمادة الغريبة والهيدروجين المعدني والأقزام البيضاء. يساهم ضغط الانحلال في ضغط المواد الصلبة التقليدية، ولكن لا تعتبر هذه المواد عادةً من المواد المنحلة بسبب توفير نسبة كبيرة من ضغطها من خلال التنافر الكهربائي للنواة الذرية وغربلة الأنوية لبعضها البعض بواسطة الإلكترونات. من المفيد في المعادن اعتبار إلكترونات التوصيل لوحدها غاز الكتروني حر متحلل، بينما تعتبر غالبية الإلكترونات بمثابة حالات كمومية ضمن حدود معينة. تتناقض هذه الحالة الصلبة مع المادة المتحللة التي تشكل جسم القزم الأبيض حيث ستتم معاملة معظم الإلكترونات على أنها تحتوي على قوة دفع خالية من الجسيمات.

الغازات المنحلة هي غازات تتكون من فرميونات مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات وليس من جزيئات المادة العادية. يعتبر غاز الإلكترون في المعادن العادية وفي الأقزام البيضاء مثالا على ذلك. ووفقًا لمبدأ استبعاد باولي: لا يمكن أن يوجد سوى فرميون واحد في كل حالة كمومية. تمتلئ جميع الاحتمالات الكمومية في الغاز المنحل حتى تصل لطاقة فيرمي. يتم دعم معظم النجوم ضد قوة الجاذبية الخاصة بها عن طريق ضغط الغاز الحراري العادي، بينما تأتي القوة الداعمة في النجوم القزمة البيضاء من ضغط انحلال غاز الإلكترون في المناطق الداخلية. تكون الجزيئات المتحللة في النجوم النيوترونية نيوترونات.

يُطلق على غاز فرميون الذي تمتلئ فيه جميع الاحتمالات الكمومية التي تكون دون مستوى طاقة معيّن اسم غاز فرميون المنحل بشكل كامل. يُعرف الفرق بين مستوى الطاقة هذا وأدنى مستوى للطاقة باسم طاقة فيرمي.

عندما تتكاثف فرميونات، مثل البروتونات أو الإلكترونات أو النيوترونات فتصبح شديدة الكثافة جدا جدا تحت تأثير الجاذبية - في نجم مثلا - ينتج عنها ضغطا مقاوما للجاذبية، هذا الضغط الناشيء عن المادة الكثيفة جدا يسمى "ضغط التحلل" . والسبب في نشأة هذا الضغط يكمن في مبدأ استبعاد باولي ، الذي يمنع فرميونين أن يشغلا نفس المكان ونفس الحالة الكمومية . لذلك فإن زيادة الضغط في مثل هذا النظام يجبر الجسيمات على شغل مستويات طاقة أعلى . وينشأ عن ذلك ضغط التحلل أو ضغط فيرميوني يعمل على مقاومة الجاذبية التي تريد أن تركز المادة في "نقطة" واحدة .

في القزم الأبيض يعمل تحلل المادة على توازن غازها من الإلكترونات . وفي حالة نجم ثنائي فمن الممكن أن يكون أحدهما في هيئة قزم أبيض ويجذب مادة من محيط النجم التابع له . فتزداد مادة القزم الأبيض . وعندما تصل كتلته إلى حد شاندراسيخار فقد لا يستطيع ضغط التحلل مقاومة ضغط الجاذبية والتوازن معها. وقد يفترض المرء أن هذا سيؤدي إلى تحول القزم الأبيض إلى نجم نيوتروني. ولكن بسبب زيادة درجة الحرارة وزيادة الضغط يؤديان إلى تفاعلات اندماج نووي جديدة وحدوث انفجار في هيئة مستعر أعظم، نوع 1أ. [7]

عندما تصبح كثافة مادة النجم أكبر من تلك التي يسببها تحلل المادة، تتغلب قوة الجاذبية على جميع القوى الأخرى. وطبقا لفهمنا الحالي بنهار قلب النجم على نفسه امكونا ثقبا أسودا - هذا يحدث إذا كانت كتلة النجم الأولية نحو 8 كتلة شمسية أو أكثر. في نفس الوقت تتحول مادة النجم من فرميونات يمكن أن يكون لها ضغط تحلل، تتحول إلى بوزونات وهي جسيمات ليس لها ضغط تحلل. ولا يزال نوع البوزونات المتولدة طبقا لترك الآلية مجهولا لدى الفيزيائيين.

وتتنبأ النظرية النسبية العامة في هذا الإطار مع عدم الأخذ في الاعتبار ألية ميكانيكا الكم بأن كل المادة تتجمع وتصبح كثافاتها لا نهائية فيما يسمى تفرد جذبوي في مركز داخل ما يسمى أفق الحدث.

ومن جهة أخرى فطبقا لميكانيكا الكم لا يمكن لجسم يمكن أن يشغل حجما أقصر من طول موجته ، أي أنه طبقا لميكانيكا الكم فهي تمنع حدوث التفرد الجذبوي ؛ ولكن لا توجد حتى الآن نظرية شاملة تجمع بين النظرية النسبية العامة وميكانيك الكم، لهذا تنقص معرفتنا عن البنية في داخل ثقب أسود.

• مستعر أعظم، نوع 1أ
• انفجار أشعة غاما 090423
• قزم أبيض
• نجم نيوتروني
• ثقب أسود
• مستعر أعظم SN 2005ap
• مستعر أعظم II
• مجرة
• عملاق أحمر
• الانفجار العظيم
• خط زمني للانفجار العظيم
• انفجار أشعة غاما 080916C

• بوابة الفيزياء
• بوابة كيمياء فيزيائية
• بوابة الكيمياء