中子星是除黑洞外密度最大的星體，同黑洞一樣是20世紀激動人心的重大發現！
物理學中最有趣、最神奇的實驗往往不具有可操作性，有很多的實驗只能在頭腦裡進行，我們稱之為：思想實驗。儘管我們在現實中受到了很多的限制，無法對宇宙中任何物體進行細緻入微的研究、解剖和探查，但我們對物質以各種形式的存在，及其規律的理解遠超於目前的實驗水平。
例如，我們在理論上知道中子星的形成過程，也知道它的一些性質！現在的問題是：如果我們取一顆中子星（假設是一立方厘米）的一部分，然後把它拉離中子星，會發生什麼？雖然我們無法這樣做，但理論應該會告訴我們結果。
中子星到底是什麼?
中子星，顧名思義，它是一顆由中子組成的星球，其物質通過強烈的引力結合在一起，質量大約與我們的太陽類似。這裡就有個問題，中子不應該存在很長的時間，因為它會衰變！現在我們選擇一些任何的粒子，然後將其隔離開來，觀察會發生什麼？質子、中子和電子這三種粒子構成了我們所知的大多數普通物質，但它們的結果卻大不相同。
如果上圖中的質子和中子直徑為10釐米，那麼夸克和電子的尺寸將小於0.1毫米，整個原子的直徑約為10千米。
電子屬於不可分的基本粒子，是帶電荷的質量最輕的粒子。據我們所知，電子完全穩定，沒有可能的衰變的途徑。
質子是由夸克和膠子組成的複合粒子。理論（大統一理論）上講，質子可能會衰變，所以我們一直在尋找其衰變的證據。方法其實很簡單：建造一個裝滿單個質子的巨型容器，裡面有10^32個質子，然後等上一年，看看其中是否有一個質子會衰變，如果沒有，其半衰期至少是10^32年。經過無數次這樣的實驗，並沒有發現衰變的結果，因此我們現在已經確定，如果質子真的不穩定，它的半衰期至少是10^35年（科學家根據實驗和理論將質子半衰期限制在這個時間內），或者是現在宇宙年齡的10^25倍。因此據我們所知，質子也是完全穩定的。
但中子不是這樣！觀察一個自由的，沒有束縛的中子，它很可能在15分鐘內消失，衰變為質子，電子和反中微子。(它的半衰期更短：大約10分鐘。)
那麼，怎麼可能有一個像中子星這樣的實體呢？
自由中子和束縛中子之間是有區別的，這也是為什麼許多元素和同位素不會衰變的原因：當原子核結合在一起時，原子核裡有一定量的結合能足夠保持中子的穩定！
對於元素來說，某些原子核的構型比其他的更穩定。目前據我們所知，有超過254種可能的原子核構型是完全穩定的，應該不會經歷放射性衰變。（但也許在足夠長的時間尺度上，其中很多也會變得不穩定，只是我們還沒有觀察到而已。）但是穩定的原子核沒有一個是很重的，或者由很多的中子組成。最重的穩定元素是什麼？那是鉛，82號元素，有四種已知的穩定同位素：Pb-204、Pb-206、Pb-207和Pb-208。
在所有已知的元素中，有82個質子和126箇中子的原子核是最重的穩定原子核。
但以上是假設核力是把中子綁在了一起，才不會衰變。就中子星而言，還有別的東西在起作用。為了理解其發生了什麼，讓我們再來看看中子星是如何產生的。
在質量最大的恆星中（輕星團中最亮、最藍的恆星）它們的核心將氫聚變成氦，所有的恆心都會經歷這個過程。然而，與類太陽恆星不同的是，它們不需要數十億年的時間來消耗它們的燃料，而只需幾百萬年（甚至更少）的時間其氫燃料就會耗盡，因為大質量恆星內部極高的溫度和密度導致了非常迅速的聚變反應。
當它們的核心耗盡氫燃料時，內部開始收縮，導致溫度升高。當它達到一定的臨界溫度時，核心中的氦開始聚變成碳，導致更大的能量釋放率。
僅僅幾千年後，氦燃料就會耗盡，內部會進一步坍塌，溫度升高到太陽核心永遠無法達到的溫度。在這種極端的條件下，核心的碳開始聚變成氧，然後在類似的連續反應中，氧聚變成硅和硫，硅聚變成鐵，接下來，就出現問題了。
上圖可以看到：鐵是最穩定的元素。它的原子核中有26個質子和30箇中子，每核子的結合能最高，這意味著任何其他的構型都不如它穩定。因此比鐵更重的元素，並不通過將鐵和其他元素融合形成的。相反，當核心充滿鐵時，不再有燃料可以燃燒，核心開始因引力而收縮。隨著時間的推移核心變得越來越熱，密度越來越大。
最後，達到了一個閾值，電子和質子開始融合在一起，產生中子、中微子和巨大的能量！
這種失控的反應產生的能量如此之大，導致了整個恆星的外層在超新星爆發中被摧毀，而電子和質子融合成中子和中微子只需要幾秒鐘的時間。
超新星爆發後，雖然外層需要幾周到幾個月的時間才能被吹走，但核心在巨大的影響下凝結成一箇中子球，這種影響不是來自核力，而是來自重力。
中子星的核心大約相當於一個太陽的質量，被壓縮成半徑只有幾公里的體積。它的密度約為每立方米10^19千克，是宇宙中已知的密度最大的物理三維物體。
為了使中子在放射性衰變中保持穩定，它需要有比中子和質子的質量差更大的結合能，大約是1mev，大約是中子質量的0.1%。雖然核心的中子很容易被束縛，但表面的中子是最脆弱的。我們假設一顆中子星的質量等於太陽的質量，半徑只有3公里，一個被束縛在其表面的中子，其結合能約為400兆伏，足以防止其衰變。
如果我們從中子星中取出一立方厘米的物質會怎樣？我們會得到什麼呢？
取出中子星物質，引力結合會大大減小，這遠遠不足以阻止中子衰變！實際上，我們在宇宙中也遇到了類似的情況：中子星與中子星相撞。當大部分物質可能合併形成黑洞時，約有3%的質量被拋出。這些被拋出的碎片並沒有產生任何奇異的物質，它們會以驚人的速度衰變，產生元素週期表中最那些最重的元素。如果你想知道地球上大部分像黃金這樣的元素是從哪裡來的，答案是：中子星的合併！
因此，如果我們取出的中子星物質質量太小，它只會在短時間內碎裂並衰變為穩定（或長壽）的元素和元素週期表的同位素，其過程最多在一箇中子壽命的時間尺度上，也可能在更短的時間尺度上。
如果我們想獲得足夠大的質量來保持中子在表面的穩定呢？也就是說我們取出的物質穩定不衰變，它的半徑應該在200米左右。
半徑200米的中子星物質與土星的質量相當，但這是保持穩定所需要的下限。如果質量更小，中子球就會衰變。所以，電影裡說：強大的雷神之錘是取自中子星的物質鍛造的……，看看它的尺寸！
物理學根本不允許這樣這樣的中子錘存在。因為它太小了，表面的引力結合能太小，只會發生災難性地放射性衰變！
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