А астрономы открыли первыми белые карлики. Самая известная из этих звезд — спутник Сириуса. Сириус — одна из ближайших к нам и самая яркая звезда на небе. Ее спутник, который обращается вокруг Сириуса с периодом 50 лет, назвали Сириус Б. Период обращения дает возможность вычислить его массу, она равна 1,05 солнечной, однако диаметр Сириуса Б оказался вдвое меньше диаметра Земли, поэтому плотность этого белого карлика в 4 млн. раз выше плотности воды и в 3 млн. раз выше плотности Солнца.
Астрономы и теоретики были озадачены, может ли существовать столь плотное вещество. Каждая звезда (кроме сверхновых во время их взрыва) находится в механическом равновесии между силами гравитации и давлением в ее недрах. От величины давления зависит, насколько сжата звезда; давление вместе с температурой определяет плотность вещества. В 1926 году английский физик-теоретик Р. Х. Фаулер с помощью только что созданной квантовой механики сумел объяснить, что давление внутри Сириуса Б и других белых карликов обусловлено не тепловым движением атомов, а вырожденным движением электронов.
Электронное вырождение проще всего понять в рамках дуализма волна-частица. Когда вещество сжато до высокой плотности и каждый электрон среды заключен в чрезвычайно малом пространстве, сдавленный электронами соседних ячеек, он начинает вести себя во многом как волна. Длина электронной волны (расстояние между ее гребнями) не может быть больше, чем размер ячейки: если бы она была больше, волна выходила бы за пределы этой ячейки. Далее, частицы, имеющие очень малую длину волны обязательно будут обладать высокой энергией. (Типичный пример — частица, связанная с электромагнитной волной, — фотон. Фотон рентгеновских лучей имеет гораздо более короткую длину волны, чем у видимого света и, как следствие, фотоны рентгеновских лучей гораздо более энергичны, чем фотоны видимого света.)
В случае электронов внутри очень плотного вещества короткая длина волны и, соответственно, высокая энергия приводят к их быстрому движению; это означает, что электрон должен двигаться в своей ячейке, ведя себя как странный сверхбыстрый мутант: наполовину волна, наполовину частица. Физики говорят, что электрон «вырожден», и называют давление, вызываемое этим беспорядочным высокоскоростным движением, «давлением вырожденных электронов» Не существует способа избавиться от этого давления; оно является неизбежным следствием
заключения электрона в малом объеме. Более того, чем больше плотность вещества, тем меньше ячейка и меньше длина волны электрона — и выше его энергия, быстрее движение, а следовательно, больше давление вырождения. В обычном веществе с обычной плотностью давление вырождения настолько мало, что им можно пренебречь, но при огромных плотностях белых карликов оно должно быть чрезвычайно большим.
