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引力是四種基本作用力中最弱的力,為何還能坍縮出恐怖的黑洞?

 天選小丑 2023-05-31 發(fā)布于廣西

關于黑洞一直都是一個熱門話題,從愛因斯坦在相對論中預言黑洞的存在之后,到去年人類第一次拍到黑洞照片,時隔百年,終于揭開了黑洞的真面目。

黑洞是宇宙中最特殊的天體,因為它體積無限小,引力卻無限大,連光也無法逃脫。

所以黑洞的事件視界內(nèi)是一片漆黑。但我們可以通過它周圍明亮的吸積盤來間接確定它的存在,黑洞依靠的強大引力,為什么卻說它是四大基本作用力中最弱的?

四種基本力分別是引力、弱核力、強核力和電磁力。

  • 強核力

聽名字應該能看出來它是世界上已知的力中最強的一種,能夠把構成質(zhì)子和中子的夸克結合在一起,也能把原子核中的質(zhì)子和中子結合在一起。如果用我們的技術把一個原子粉碎,或者把原子核分開或融合,目前只有兩種辦法.

第一種是在大型強子對撞機里,將兩束粒子按相反的方向加速到接近光速,讓其對撞從而敲開原子的外殼,這樣,兩個核子就能夠融合成一個新的物質(zhì).

第二種就必須要通過核聚變,讓其在高溫或極高壓的狀態(tài)下,使核外電子成為自由電子,讓不同的核子融合在一起,以此來創(chuàng)造出新的物質(zhì).

由此可以看出強核力具很大的能量。最重要的是強核力只作用在原子層面,通過資料調(diào)查顯示,它們之間的距離必須在10^-15米以內(nèi),或者大約在質(zhì)子直徑的范圍內(nèi)才能起作用。

  • 弱核力

其作用距離是最短的,并且只在電子、夸克層子、中微子等費米子層面才能發(fā)生作用,它的主導地位只在微觀世界。雖然目前人類還不能直觀看到它們的存在,但是它們卻制約著放射性一類的現(xiàn)象,就比如在我們世界中普遍存在的X射線、α、β、γ射線中的粒子,就是靠弱核力從原子核內(nèi)部把它們拋射出來的,在核聚變反應中弱核力也發(fā)揮著不可缺少的作用。

  • 電磁力

主要是在帶電粒子之間起作用??梢赃@樣理解,相反的電荷相互吸引,同種電荷則會相互排斥,電荷越大,而力也就越大,電磁力其實是通過一種叫做光子的無質(zhì)量、有載力的玻色子作為交換而產(chǎn)生的,其中光子是光的粒子組成成分,但在帶電粒子間交換的帶力光子是光子的不同表現(xiàn)形式,因此它們是虛擬的,根本無法探測到的。

實際上電磁力在我們生活中也起到至關重要的作用,從原子和核外電子的運行規(guī)律,到電波、摩擦力、機械力、聲波等等這些都只不過是電磁作用力的外在表現(xiàn)形式而已,換句話來說,如果世界上沒有電磁作用力的存在,那么我們?nèi)祟惥蜔o法看到電閃雷鳴、飛機火箭、高鐵汽車等等。

  • 引力

簡單來說就是兩個具有質(zhì)量的物體之間的相互吸引。牛頓是最先提出萬有引力的,他認為引力可以描述成兩個物質(zhì)之間的吸引力,但是愛因斯坦卻持相反的態(tài)度,從廣義相對論中就可以看出,他主張引力不是一種力,而是物體彎曲時空的結果。

雖然現(xiàn)如今的宇宙天體運行都受到萬有引力的制約,但很明顯它是已知的基本力中最弱的一個,尤其是在分子和原子尺度上,如果把一個物體從地上提起來或往上運動,其實是抵消整個地球的引力,并且在分子和原子水平上,引力相對于其他幾個的基本力來說是幾乎沒有任何影響的。

但萬有引力的存在的存在也是有非常大的用處,與其他的基本力作用范圍不同,因為它的作用范圍可以延伸到無限遠并且還能夠無限疊加,而且其強度和質(zhì)量的分布有著密切的聯(lián)系。換句話來說就是只要在一定的空間內(nèi)不斷增加質(zhì)量,引力的強度也就能夠無限增加。

因此可以毫不夸張的說是萬有引力造就了恒星、中子星、黑洞等等,試想一下,如果一個物體能夠濃縮到自己質(zhì)量的史瓦西半徑中時,那么最弱的引力就會變成最強的力,無限曲率,并且還能把進入一定范圍的一切物質(zhì)撕碎甚至吞噬掉,即使連光也無法從里面逃逸出來。

黑洞的形成

對于黑洞,構成方式主要包括大質(zhì)量恒星的演化以及黑洞兼并等等。

  • 大質(zhì)量恒星的演化

大質(zhì)量恒星的演化一般是黑洞形成的主要方式,首先是由一顆大質(zhì)量的恒星演化為一顆紅巨星時,此時在恒星內(nèi)部發(fā)生的聚變反應會在鐵核停止,因為鐵元素相當穩(wěn)定不能參與裂變或聚變,從而沒有能量的釋放以及向外的輻射壓力。

這個時候引力占據(jù)上風,同時會導致恒星緩慢向內(nèi)收縮或者迅速坍塌,由于只有內(nèi)部只剩下了鐵元素,使內(nèi)部不再具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡,從而引發(fā)恒星坍塌,最終形成黑洞。注意:恒星是否可以演化成黑洞,主要取決于來源的壓力能否達到平衡內(nèi)向的引力,使恒星的坍縮止于某個非常小的體積。

  • 黑洞兼并

顧名思義,黑洞兼并,就是兩個黑洞合并,形成一個大黑洞。這也發(fā)生在大質(zhì)量恒星演化之后,當大質(zhì)量恒星演化出黑洞后遇到另一個黑洞,兩個大質(zhì)量恒星演化的黑洞相互旋轉(zhuǎn),這是就稱為二元黑洞,在特定條件下,這兩個黑洞才會兼并成一個大黑洞。

但是這種方法形成新黑洞,極其困難,由于兩個黑洞相遇的路徑不同,以及角動量守恒的影響,當兩個黑洞彼此吸引旋轉(zhuǎn)到一定距離時,即1秒差距,兩個黑洞便會停滯不前。

  • 引力坍塌

所謂的引力坍塌就是指當天體內(nèi)部物質(zhì)之間的斥力不足以抗衡引力的時候發(fā)生的物質(zhì)相核心聚集的現(xiàn)象。

總結

由于在宇宙中存在著大量的大質(zhì)量物體,而引力又是一個遠程力,當大質(zhì)量的宇宙體聚集在一起的時候引力也會變得非常大,在廣義相對論中,引力的實質(zhì)是時空彎曲,而黑洞在定義上是一個連光都無法逃脫的極度彎曲的天體。

所以正是由于引力的作用范圍可以延伸到無限遠并且還能無限疊加,隨著質(zhì)量的增加而增大的特點才使得恒星可以坍塌出黑洞。

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