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引力最最弱的基本作用力,為什麼還能坍縮出恐怖的黑洞?

2024-02-19 18:59:47

透過對微觀世界的不斷探索,科學家們發現自然界存在四種基本作用力,分別是強力,弱力,電磁力和引力。

下面先簡單瞭解一下這四種基本作用力,更有利於我們對引力的理解。

首先來說最強的作用力,強力。其實從名字就能看出來,強力是非常強大的,如果強力的大小是1,那麼排名第二的電磁力只有173分之一,第三的弱力為10的負15次方,最弱的引力只有10的負39分之一。

強力體現在微觀領域,能夠把質子中子,夸克與夸克結合在一起,因此這種力量非常強大,不然就不會形成穩定的原子核。

假設我們想把原子核揉碎,就需要克服強大的強力,目前來看方法只有兩種。

第一,利用強大的粒子對撞機,讓兩束粒子以非常接近光速的速度發生碰撞,碰撞瞬間產生超強的能量,足以敲開原子的外殼,如此這樣兩個核子就能融合在一起,形成新的物質。

第二,就是我們經常說的核聚變,在極度高溫高壓下,原子外圍的電子會成為自由電子,然後不同的核子之間會發生融合,突破強力的作用形成新物質。

這個過程就相當於把核子“掰開”,進行重新組合,而“掰開”原子核需要克服的就是強力,需要極其強大的外部能量才能做到。

強力作用只會表現在非常小的尺度,需要在10的負15次方米的範圍內,才能起作用,因此日常生活中我們根本感受不到強力的影響。

弱力

相比強力,弱力的作用距離更短,只有在電子,中微子,夸克層面才能發生作用,因此我們在宏觀世界也不能看到弱力的存在。

不過,我們所在的宏觀世界存在很多現象,都是由弱力引起的,比如說普遍存在的輻射現象,像X射線,阿爾法,貝塔和伽馬射線中的粒子,都是靠弱力從原子核內部把它們拋射出來。

電磁力

電磁力是我們現實生活中最常見的力。除了引力之外,我們能感受到的力,全部都是電磁力,比如說摩擦力,彈力,機械力,還有電波聲波等,本質上都是電磁力。

電磁力主要體現在帶電粒子之間,具體來講就是同電荷排斥,不同的電荷吸引。電磁力是依靠光子來傳遞的,具體來講光子的交換產生電磁力。不過這裡的光子並不是實體光子,不是我們每天看到的光子,而是虛光子,是虛擬的,因此並不能被我們直接探測到。

最後就是引力。

上物理課上我們都學過引力,牛頓在幾百年前就提出了偉大的萬有引力定律,認為任何兩個物種之間都存在引力。不過對於引力的本質,愛因斯坦有著不同的看法,他認為引力並不是一種力,只是時空彎曲的結果而已。

不管引力的本質是什麼,也不管引力是否真的存在,都不影響我們對它的研究,因為所謂的引力和引力本質,更多的也只是人類的一種定義而已,我們並不能否認物體之間的相互吸引作用。

毫無疑問,引力是四種基本作用力中最弱的力,從兩個方面可以明顯看出來。

第一,在分子原子等微觀層面,相比較其他三種力,引力作用幾乎完全可以忽略不計,幾乎不會帶來任何影響。

第二,即便是在宏觀世界,我們可以輕鬆對抗引力。比如說成年人可以輕鬆舉起一個嬰兒,要知道,你在完成這個動作的時候,是在對抗整個地球對嬰兒的引力。

不過,引力雖然很微弱,卻有一個致命的“殺手鐧”,引力的作用範圍可以延伸到無限遠。也就是說,不管距離有多遠,兩個物體都會產生引力,引力強度與物體的質量成正比。

這就表明,只要讓質量不斷累積,雖然微弱的引力也可以非常大,甚至可以無限大。

引力的這種特性,也是宇宙中不斷誕生出各種詭異天體的原因所在,比如說地球,太陽,白矮星,中子星,還有更恐怖的黑洞。

理論上講,任何物體只要被濃縮在自己的史瓦西半徑內,都可以憑藉引力作用坍縮為一個黑洞。那麼,具體是如何坍縮為黑洞的呢?

黑洞,通常都是大質量恆星在死亡過程中,無限向內坍縮形成的。具體來講是這樣的。

在生命週期內,恆星都能保持穩定,這是因為恆星自身的引力,與核聚變產生的巨大外推力一直保持微秒的平衡,讓恆星既不會因引力作用迅速向內坍縮,也不會因核聚變爆炸成“碎片”,這也是太陽等恆星能保持數十億年穩定的原因所在。

不過,隨著恆星氫燃料的逐漸減少,核聚變的威力開始下降,引力開始佔據上風。而一旦核聚變完全停止,引力就是徹底佔據主導作用,恆星物質開始急劇向內坍縮,但通常並不會無限向內坍縮。

這是因為“電子簡併壓”和“中子簡併壓”的存在,這兩種力量通常會對抗引力,讓引力不會無限向內坍縮。這兩種力量到底是什麼呢?

根據泡利不相容原理,兩個微觀粒子不能處於相同的量子態,比如說電子,在一個量子態只能有一個電子,如果有其他電子在引力作用下試圖進入另一個電子的量子態,就會產生強大的電子簡併壓,這種力量很強大,阻止恆星在引力作用下繼續探索。

不過,如果恆星質量很大,連電子簡併壓也阻止不了引力,結果就是電子繼續被壓縮,一直被壓縮到原子核上,與質子結合形成中子,這就是中子星的由來。

而中子之間存在更強大的“中子簡併壓”,阻止引力造成的進一步坍縮。但是剛才講了,只要物體的質量足夠大,就會形成足夠大的引力。因此只要恆星質量足夠大,中子簡併壓也不是引力的對手,結果就是所有的中子被無限壓縮,最終壓縮到一個體積無效小的空間內,所謂的“奇點”,也就是黑洞。

黑洞和奇點,是超乎我們認知的存在方式,人類目前已知的所有大自然法則在黑洞面前都失效了。科學家們大膽猜測,黑洞和奇點很可能不屬於四維時空,而是高維度的存在。

這就是引力作用力產生的黑洞。引力雖然微弱,但架不住質量足夠大,就可以形成足夠強大的引力,誕生出黑洞這樣詭異的天體。

最後,也有科學家猜測,引力之所以如此微弱,有可能是部分引力洩漏到了高維度空間,而這種猜測也被應用到了著名科幻電影《星際穿越》裡,男主人公在五維度時空可以透過引力與女兒“交流”!

不過,有關高維度的概念目前更多的還是猜測,並沒有在實驗中證實。

完!

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