四種作用力中最弱的引力,為何能坍縮出宇宙無敵的黑洞?

2020-12-05 星球上的科學

關於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後,到去年人類第一次拍到黑洞照片,時隔百年,終於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,為什麼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,能夠把構成質子和中子的夸克結合在一起,也能把原子核中的質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裡,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.

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

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,通過資料調查顯示,它們之間的距離必須在10^-15米以內,或者大約在質子直徑的範圍內才能起作用。

弱核力其作用距離是最短的,並且只在電子、夸克層子、中微子等費米子層面才能發生作用,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部把它們拋射出來的,在核聚變反應中弱核力也發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。可以這樣理解,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量、有載力的玻色子作為交換而產生的,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,那麼我們人類就無法看到電閃雷鳴、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之間的吸引力,但是愛因斯坦卻持相反的態度,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,並且在分子和原子水平上,引力相對於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範圍不同,因為它的作用範圍可以延伸到無限遠並且還能夠無限疊加,而且其強度和質量的分布有著密切的聯繫。換句話來說就是只要在一定的空間內不斷增加質量,引力的強度也就能夠無限增加。

因此可以毫不誇張的說是萬有引力造就了恆星、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量的史瓦西半徑中時,那麼最弱的引力就會變成最強的力,無限曲率,並且還能把進入一定範圍的一切物質撕碎甚至吞噬掉,即使連光也無法從裡面逃逸出來。

黑洞的形成

對於黑洞,構成方式主要包括大質量恆星的演化以及黑洞兼併等等。

大質量恆星的演化大質量恆星的演化一般是黑洞形成的主要方式,首先是由一顆大質量的恆星演化為一顆紅巨星時,此時在恆星內部發生的聚變反應會在鐵核停止,因為鐵元素相當穩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。

這個時候引力佔據上風,同時會導致恆星緩慢向內收縮或者迅速坍塌,由於只有內部只剩下了鐵元素,使內部不再具有足夠的能量與質量巨大的恆星的萬有引力抗衡,從而引發恆星坍塌,最終形成黑洞。注意:恆星是否可以演化成黑洞,主要取決於來源的壓力能否達到平衡內向的引力,使恆星的坍縮止於某個非常小的體積。

黑洞兼併顧名思義,黑洞兼併,就是兩個黑洞合併,形成一個大黑洞。這也發生在大質量恆星演化之後,當大質量恆星演化出黑洞後遇到另一個黑洞,兩個大質量恆星演化的黑洞相互旋轉,這是就稱為二元黑洞,在特定條件下,這兩個黑洞才會兼併成一個大黑洞。

但是這種方法形成新黑洞,極其困難,由於兩個黑洞相遇的路徑不同,以及角動量守恆的影響,當兩個黑洞彼此吸引旋轉到一定距離時,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部物質之間的斥力不足以抗衡引力的時候發生的物質相核心聚集的現象。

總結

由於在宇宙中存在著大量的大質量物體,而引力又是一個遠程力,當大質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。

所以正是由於引力的作用範圍可以延伸到無限遠並且還能無限疊加,隨著質量的增加而增大的特點才使得恆星可以坍塌出黑洞。

相關焦點

  • 四種作用力中引力最弱,為何能坍縮出黑洞這樣的極端天體?
    在宇宙中除了宏觀世界以外,還存在著控制微觀世界的法則,其中包含兩種力:強核力和弱核力,雖然強力比引力強力38個數量級,就連弱力也比引力強了32個數量級,但它們的作用範圍有限,分別為10^15米和10^18米,超過這個距離這兩種力就失去了作用。
  • 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。
  • 最弱雞的引力,為什麼能讓無敵的恆星坍縮成黑洞?
    為什麼「重力」會引起恆星坍塌,直至成為黑洞?「重力坍縮」或者說「引力坍縮」是形成黑洞的唯一原因,當然我們常見的天體諸如中子星、白矮星甚至恆星與行星都是「引力坍縮」而成,而不是什麼強作用力或者弱力或者電磁力的相互作用,但四種基本作用力中,引力其實是最小的,那麼為何這種最小的作用力造就了世上最恐怖的天體呢?
  • 引力是四種基本力中最弱的,為何是它引起坍縮產生黑洞?
    ,至今為止,總共找到了4種基本相互作用力:強力、弱力、電磁力和萬有引力。電磁力這麼厲害,然而我們能站在地球上,靠的卻是引力。這是因為電磁力比引力多了一個特點,就是有吸引力和排斥力之分——同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。這個特點造成了電磁力很容易就被抵消掉。
  • 在四種基本作用力中最重要的是萬有引力嗎,你怎麼看?
    引力是四種力中最弱的力,其弱到什麼程度呢?我們這樣來理解吧,如果把強力作為1,弱力就是它的10^-13倍,也就是10萬億分之一倍,而電磁力則是強力的1/137,引力呢則是強力的10^-39倍,也就是千萬億億億億分之一倍。從上述四種力量的對比來看,引力弱爆了,名為「弱力」的力實際上並不弱,比引力強大26個數量級。
  • 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)。
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    >的●  如果採用一個絕對坐標系看,地球上所有的一切都是具有速度的 摩擦力●  物理學中有四種基本作用力,●  電磁力●  引力●  強相互作用●  弱相互作用●  其中弱相互作用和強相互作用屬於微觀力
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  • 引力不是四種基本力中最弱的嗎,為什麼感覺是最重要的呢?
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  • 引力會引起恆星坍塌成黑洞,為何引力那麼強?
    四種基本力當中,引力是最弱的,但是引力有兩個非常大的特點,一是只有吸引作用,沒有排斥作用,二是作用距離無限遠;於是重力就可以無限疊加,從而超過其他三種作用力的整體效果。我們知道,一個天體的引力強到一定程度後,就會塌縮成一顆黑洞,連光也無法逃離黑洞的引力;大質量恆星在演化末期,由於核聚變反應的減弱,引力會佔據主導作用,然後使恆星塌縮,就有可能在內部形成一顆黑洞。
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