引力是自然界四种基本力中最弱的,为什么还能把物质压缩成黑洞?

发布者:穿越激流的人 2023-6-26 15:05

自然界存在着四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。四种作用力当中,强力是最强的作用力,它能够把质子中的三个夸克牢牢地结合在一起,同时把原子核中的中子质子结合起来。

如果我们要把原子核分开或者融合在一起,就需要对抗强大的强力作用,那么该怎么做呢?

第一种方法,通过大型强子对撞机,将两束微观粒子加速到接近光速,然后让其对撞,这样就能把原子核分开,从而结合成新的原子核,新的物质。

第二种方法,也是大自然不断创造新物质的方法,那就是核聚变。在极端高温高压下,电子会成为自由电子,而核子会发生融合,从而创造出新物质。

能够看出,束缚核子的强力是非常强大的,强力的作用范围也只在原子层面,只有在大约10的-15次方米范围内才起作用。

下面说说弱力。弱力的作用距离更短,只是在中微子,夸克和电子等层面才能发挥作用,同样是在微观世界。

目前我们并不能直接看到弱力的存在,不过可以肯定的是弱力制约着放射性现象,比如说我们经常提到的X射线,γ射线中的粒子,就是依靠弱力从原子核内部抛射产生的。

而电磁力对于我们来讲更为常见,因为电磁力在我们身边无处不在,它主要在带电粒子之间发挥作用。

物理学上来讲,电磁力是通过光子这种玻色子作为载体交换产生的,也就是说,电磁力是通过光子传播的,不过这里的光子并不是我们通常所说的光,而是虚拟的“光子”,由于是虚拟的,我们无法直接探测到。

在我们生活中,电磁力无处不在,除了引力之外的其他所有力,都是电磁力,比如说机械力,摩擦力,弹力,压力,声波等本质上都是电磁力,只是电磁力的不同表现形式而已。

最后来说一下引力。

几百年前,牛顿提出了著名的万有引力定律,告诉了我们万物之间都有引力。

虽然引力无处不在,任何事物之间都存在引力,但它却是四种基本作用力中最弱的力。举个通俗的理解就知道了。我们可以轻松举起一个10公斤重的物体,其实这个过程就是在对抗整个地球的引力。

所以说,引力是相当弱的一种力,尤其是在微观层面,引力相对于其他三种基本作用力,几乎是可以忽略不计的。比如说,在原子核内部,中子与质子之间同样存在引力,但相比较中子和质子之间的强力,引力完全可以忽略不计,科学家们在分析质子和中子的相关物理量时,也不会考虑引力的影响。

引力到底有多弱呢?如果强力的强度是1,那么引力的强度只有10的-39次方!完全不是一个数量级的。

但是,虽然引力的强度非常弱,但它也有自己明显的优点:作用范围非常广。理论上,引力的作用范围可以延伸到无限远的地方,同时还能无限叠加,不同的事物对其他事物的引力作用可以叠加作用在一起。

同时,引力的大小与质量息息相关,只要在一定的时空内质量不断增加,引力也会无限增强。

而黑洞正是在这种背景下产生的。想象一下,任何物体只要浓缩到足够小的空间,坍缩到无限小的奇点,那么在史瓦西半径内,引力就会变得无限大,这时的引力就变成最强的力。质量会把时空曲率拉伸到无限大,事实上这时候物质就已经坍缩为黑洞了,任何靠近史瓦西半径的物体都会被无情地吞噬,哪怕是光也不例外。

我们通常所说的黑洞指的是恒星类黑洞,顾名思义,就是大质量恒星在燃料耗尽之后,恒星宣告死亡,于是在引力作用下,无限向内坍缩而形成的。

恒星的生命周期内,两种力量一直保持着平衡,它们分别是向内的万有引力和向外的由核聚变产生的外推力。

而当恒星的燃料耗尽之后,核聚变戛然而止,就没有了外推力与引力保持平衡,于是引力开始变得肆无忌惮,物质急剧向内坍缩,形成密度更高的天体,比如说白矮星,中子星,甚至黑洞。

黑洞之间也会发生合并,形成更大的黑洞。两个黑洞相遇时,通常会围绕彼此相互旋转,就像两颗恒星那样,一般都非常稳定。不过某些外部因素的影响会改变运行轨道,两个黑洞会发生碰撞然后融合在一起,成为更大的黑洞。

可以看出,通常情况下,引力确实非常微弱,尤其是与其他三种基本作用力相比,更是微乎其微。

但是当大量的物质聚集在一起,聚集在非常小的时空里面时,引力就会变得非常大。因为根据爱因斯坦的广义相对论,引力的本质就是时空弯曲。当一定的物质聚集在自己的史瓦西半径内时,就会无限拉伸时空,时空结构的曲率会变得无限大,于是任何物质哪怕是光也逃脱不了无限弯曲的时空结构。

所以,尽管引力相对很小,但它的作用距离可以无限小同时可以无限叠加,所以只要质量足够大,同时质量聚集的范围足够小,就能产生足够强大的引力,让任何物质都可以坍缩为黑洞!

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