四種作用力中最弱的引力,為何能坍縮出宇宙無敵的黑洞?

2020-12-18 科學邊緣2049

物理學是人類用來認識這個宇宙的工具,物理學家們致力於探究」萬物背後的原理」

21世紀的今天,宇宙在物理學家們的眼裡已經不再複雜,就是一個從大爆炸開始,被四大基本作用力支配的物質世界。

強相互作用力

大多數人對它的了解,來自於《三體》中的「水滴」,因為水滴就是「強互作用力宇宙探測器」,它擁有極高的硬度和接近絕對光滑的表面,可以瞬間洞穿人類的恆星級艦隊,而現實中的強互作用力,負責把夸克以及質子中子們結合在一起,可以說它的主要作用範圍就是原子核附近。

弱相互作用力

弱力的主要成就,是提供放射性所需要的條件,包括中微子在內的眾多射線,背後都是弱力在發揮作用。

電磁相互作用力

帶電荷的粒子都會受到電磁力的影響,小到磁鐵大到地球,概莫能外,我們之所以能碰到物體,站在地上,而不會因為原子內部的巨大空間而「陷進去」,就是因為電磁力的原因,它讓人類能「觸摸」到這個世界。

引力相互作用

牛頓是第一個對引力現象進行總結歸納的人類,但他受限於時代,無法回答「引力為什麼產生?」這一問題,直到20世紀初,愛因斯坦廣義相對論的出現。

廣義相對論認為,引力是由時空彎曲引起的一種幾何跌落,而時空之所以彎曲,是因為質量,因此愛因斯坦認為,任何存在質量的物體都具有引力,都會引起時空彎曲,但一個人引起的時空彎曲,遠遠比不上地球引起的時空彎曲,所以人類才能站在地球上,而不會漂浮。

引力和其他三大基本力相比有一個最大的特點,那就是它的作用範圍是無限的,而不像其他三種力一樣,只能影響小範圍內的物質世界。

作用範圍無限的結果,就是「當大量物質堆積於時空一點」後,該時空區域的引力強度,就會讓逃逸速度大於光速,而大於光速的後果,就是這片時空區域在可見光波段「消失」,這種奇異的時空結構,就是黑洞。

宇宙中天然存在的黑洞,大都是由恆星晚年在引力作用下坍塌而成的,但物理學家們認為,黑洞的產生與否,和質量其實沒有太大關係,反而和「質量密度」息息相關,因為任何一個有質量的物體都有自己的史瓦西半徑,而只要把物體的體積壓縮到史瓦西半徑,可見光便無法逃逸,因此任何一個人,甚至是任何一粒沙子,只要壓縮得夠狠,就都能變成黑洞。

雖然引力無時無刻不在影響著宇宙天體運行,但人類對引力其實還「束手無策」

因為在目前的粒子物理學標準模型裡,強力弱力電磁力,都被統一到了一個框架中,但引力遲遲無法和其他三大基本力完成自洽,因此有物理學家相信,人類對引力的認知其實還存在進步空間,畢竟量子力學的「引力子」,就是目前唯一沒有被發現的粒子。

如果未來有物理學家能把引力和其他三大基本力,統一到一個理論中,那麼這個理論就是包括愛因斯坦在內,全體物理學家們夢寐以求的「大統一」理論,而提出這個理論的物理學家,物理學成就也將超過愛因斯坦。

相關焦點

  • 四種基本力中引力是最弱的,為何還能坍縮出破壞力超強的黑洞?
    引力雖然是四種基本作用力中最弱的,但是引力的作用範圍無限遠,而且可以無限疊加,這使得引力控制著宇宙中大尺度的宏觀物質運動。四種基本力在物理學中,物質間的相互作用可以解釋一切和物質有關的物理現象,目前人類一共發現了四種相互作用,或者說是基本力,它們分別是:強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和萬有引力相互作用。
  • 解讀大自然四種基本作用力:引力,電磁力,強力和弱力!
    1、萬有引力萬有引力是任何物體之間存的相互吸引力,是四個基本相互作用中最弱的,但是同時又是作用範圍最大的(不會如電磁力一般相互抵銷)。
  • 引力是宇宙中最奇怪的產物之一,破解引力之謎將打破對時空的認知
    但是第四種基本力——引力,則是不同的。 我們目前對引力的理解框架,是一個世紀前由阿爾伯特·愛因斯坦提出,他告訴我們蘋果會從樹上掉下來,行星繞著恆星運行,因為它們在時空連續體中沿著曲線運動。 但在黑洞中心附近或宇宙形成初期,愛因斯坦的方程式就失效了。物理學家需要更真實的引力圖像來精確地描述這些極端情況。
  • 宇宙大爆炸之前是一個黑洞嗎?
    而黑洞的中心也有一個類似奇點的存在,與宇宙起源「奇點」相比較,它們看上去都具有體積無限小、密度無限大、引力無限強、溫度異常高的特點,那麼能否從此推斷出宇宙大爆炸前也是一個黑洞?或者說現在的黑洞也可能會像宇宙起源那樣發生爆炸呢?我們先來看一下宇宙起源的那場大爆炸。
  • 黑洞叫引力坍縮徹底的恆星?十億光年外看地球會看到時光倒流?
    黑洞就是一個引力很強的空間區域。任何東西——甚至連光——都因為不夠快,不能從其內部逃離。雖然這一概念最初是在理論物理學家豐富的想像中被構思出來的,但現在我們已經在宇宙中發現了數百個黑洞,並且它們以百萬計。儘管這些黑洞是不可見的,但它們以一種很容易被探測到的方式與周圍環境相互作用,並對其產生影響。
  • 反重力與控制強作用力,哪個更接近現實一些?
    關於重力和強作用力重力和強相互作用力都屬於基本作用力,除了這兩種以外還有電磁力和弱相互作用力,在四種作用力中,重力應該是人類了解最早的,牛頓將其解釋為萬有引力,引力的大小和天體之間的距離成反比,牛頓認為宇宙中瀰漫的以太傳遞了引力,當然這是錯誤的,愛因斯坦將其引力解釋為質量彎曲時空,彎曲的時空表現出來的就是引力。
  • 為什麼138億年前的原初宇宙沒有直接坍縮成黑洞?
    根據哈勃定律可以逆推出,最初的宇宙十分緻密,溫度極高,空間極小,這就是現代宇宙學的大爆炸理論。據估計,宇宙的誕生時間可以追溯到138億年前,最初的宇宙只有存能量,全部集中在奇點中。宇宙大爆炸之後,產生了大量的物質。早期宇宙非常小,所以密度極高。既然如此,為什麼緻密的早期宇宙沒有直接坍縮成黑洞呢?
  • 黑洞是宇宙中密度最大的天體嗎?科學家:黑洞的密度可能很小!
    黑洞紅矮星、白矮星、中子星和黑洞一般而言,小型黑洞是由恆星在燃燒完能量之後坍縮形成的;大型黑洞則很可能在宇宙形成初期就已經存在了。我們以太陽為例,來簡單了解一下恆星的晚年。小於0.4個太陽質量的恆星,因為需要較少的能量來對抗恆星本身的引力,耗盡核心的氫之後,並不會產生變化,只會變成紅矮星,然後慢慢地暗淡下去。質量在0.4-3.4個太陽質量的恆星,當核心的氫耗盡之後,沒有足夠的能量來抵抗本身的引力,內核就會在引力的作用下會向內坍縮。然後變成白矮星。當恆星的質量超過3.4倍的太陽質量之後,就有可能在坍縮過程中形成高密度的白矮星。
  • 作為宇宙中最神秘的天體,黑洞的第三種類型終於被發現了?
    黑洞,是宇宙中最神秘的天體。(併合前的雙黑洞質量之和不等於最終的黑洞質量,這是因為併合過程會釋放巨大的能量,並以引力波的形式擴散到宇宙中去)。 根據愛因斯坦的廣義相對論的核心方程的預測,黑洞可以有任何質量。在宇宙中,大質量恆星的坍縮是形成黑洞的一個關鍵途徑,但這種過程也會對黑洞的質量產生一些限制。 當一個質量非常大的恆星耗盡燃料時,其核心便會開始在引力的作用下坍縮,形成一個恆星級的黑洞。
  • 恆星能夠發光,但宇宙中最亮的光卻不是恆星發出的,而是黑洞
    黑洞的形成當一顆質量在太陽質量30倍以上的恆星進入到生命的末期,隨著燃料的耗盡,由聚變產生的向外的擴張壓逐漸減弱,恆星開始在內部強大的引力作用下向中心坍縮,之後迅速反彈釋放巨大的能量,這個現象就被稱之為超新星爆發。超新星爆發是宇宙中最為劇烈的天體活動之一,能夠釋放出巨大的能量。
  • 宇宙來源於138億前的奇點,是何原因推動空間擴張到如此之大呢?
    第三是輕子時代,時間從10^(-32)秒至千分之一秒,電磁力與弱核力分離,粒子與反粒子成對出現並迅速湮滅,而重子出現的概率可能會比反重子多出幾十億分之一,就是這些差距奠定了現有宇宙物質的組成結構,這個時期宇宙空間中是以反物質和輕子為主體。
  • 萬有引力和引力有什麼不同?四種基本性質力中電磁力最多
    從高中物理開篇,我們都聽過四大基本力:萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力,今天我們來看看都有哪些常見的這種力。一、電磁力平時最常見的彈力,是四大基本力中的電磁力的宏觀表現。本質是接觸面之間大量分子在外力做功下偏離電磁場基態,電磁場被激發而儲存的額外能量就是彈性勢能。相鄰原子或分子之間作用力也屬於電磁力。
  • 黑洞是宇宙裡最神秘的天體 總能打破天文學家的認知
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  • 發現第三種類型的黑洞了?!
    (由於微信規則改版,歡迎將造就公眾號添加為星標,或點擊文章下方的「贊」或「在看」,每天看到造就推送的精彩內容) 黑洞,是宇宙中最神秘的天體。
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