电子简并压力不是“力”,它是交换相互作用(exchange interaction),但它和我们平常说的四大
基本力的相互作用完全是两码事,它并不需要交换媒介粒子。交换相互作用只发生在
全同粒子之间,本质上是一种
波函数的干涉效应,不涉及任何“力”。它类似于
分子热运动,温度升高时,分子热运动加剧,物体体积增大,这时我们并不能认为是某种力使该物体体积增大。所以我们可以将电子简并压力想象为由“电子热运动”产生的“电子气压”。
简并压是叠加在气压上面的效果,压力公式一样,区别在于 E 是粒子的费米动能
其实电子简并压力是无处不在的,只是在通常情况下,这个压力小得可以忽略。但当电子
数密度(n/V)足够高,温度足够低时,它就会占主导地位。在白矮星中,原子间的
电磁力顶不住万有引力的猛烈挤压,原子的
电子壳层被压碎,形成
自由电子在晶格中穿行,或者说
原子核漂浮在电子海洋中的状态。我们可以把这时的情况想象为所有原子核和电子共同形成了一个超大分子,而根据泡利不相容原理,
分子轨道中的一个
原子轨道只能容纳两个
自旋方向相反的电子。由于轨道能级越低,电子距离原子核越近。当物质被压缩到极大的密度时,万有引力会竭力拉近电子与原子核之间的距离,这时
低能级轨道将被电子挤满。泡利不相容原理不容许两个电子处在同一个状态,相互靠近的电子将产生一种新的排斥力,阻止体积的进一步缩小。
此处h是狄拉克常数(
约化普朗克常数),Δx是测量时在位置上的不确定值,而Δp动量测量不确定的
标准差。
一种本质为压力增加时就会被压缩的材料,在内部的电子,位置测量的不确定量Δx就会减少,因此依据测不准原理,电子动量的不确定量Δp
热运动之上时,电子就进入简并状态,这种材料就成为
简并态物质。
电子
简并压力在恒星质量未超过
钱德拉塞卡极限(1.44个
太阳质量)前能阻止核心的塌缩,这就是阻止
白矮星崩溃的压力。质量超出这个极限而又没有燃料可以进行核融合的恒星,将会因为电子提供的简并压力不足以抵抗
万有引力,而继续塌缩形成
中子星或黑洞。