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引力是四大作用力中最弱的,可为什么它能使恒星坍缩成黑洞?

2020-05-04  松竹同音

“力”的定义

    1687年,牛顿发表了著作《自然哲学的数学原理》,在这本书中,他详细阐述了他的力学三大定律和万有引力定律。

    要知道,在牛顿之前,其实还没有人真正意义上地定义“力”的概念,当时有的认为力是一种压强,伽利略很接近定义“力”,但还远没有牛顿定义的严谨和具有科学性。

    如果你要问,什么是“力”?,根据定义,我们可能要回答,“力”是改变物体运动方向的原因。

    这个定义其实是经典物理学中关于“力”的定义。这个定义到了近代发生了变化。这是因为科学家发现,“力”还可以改变粒子的种类。最典型的例子就是粒子的衰变现象,比如:β衰变。一个中子衰变成一个质子、一个电子和一个中微子,在这个过程中,是通过弱核力来实现的。

四大作用力

    因此,力不仅仅可以改变物体的运动状态,这个定义应该被进一步地拓展。随着20世纪物理学的发展,科学家发现,在我们的宇宙中,其实不仅仅存在着引力和电磁力,在原子层面,还存在着两种核力,一种叫做强核力,一种叫做弱核力。

    正是因为核力的存在,才确保了原子核的结构得以存在,而弱核力会参与到衰变当中。在这四种作用当中,强核力的强度是最大的,而引力则是最小的,两者的强度差了38个数量级。不仅如此,它们作用的尺度也不同。强力和弱力的尺度都在原子核尺度上下,而电磁力和引力则是没有范围的。

    不仅如此,科学家还试图把这几种力通过一套理论统一起来。目前来看,弱力和电磁力被统一了起来,强力勉强算是“半个统一”,并没有和弱力、电磁力完全融合成一套理论。

    而引力则一直无法和其他三个力结合到一起。目前描述引力的主流理论还是爱因斯坦的广义相对论,在广义相对论中,引力的本质是时空的弯曲。

黑洞到底是咋回事?

    根据上述的描述,我们知道,引力和强力没有办法融合到一套理论中,并且两者差距巨大。那么问题就来了,引力明明是四大作用力中最弱的,但是为什么黑洞是在引力作用下最终形成的呢?

    在宇宙中,一个天体的演化和它自身的质量是分不开的。很多人其实对于天体的量级是完全没有概念。我们来举一个例子,我们平时看到的太阳系模型的比例都是比较离谱的。

那真实的情况是什么样的呢?

    太阳是整个太阳系绝对的主宰,占据了整个太阳系总质量的99.86%以上,而地球仅仅只有0.003%左右,太阳质量是地球质量的130万倍。如果把地球放到太阳面前,那地球真的是连渣都不算。

那太阳够大了吧?

    但你知道吗?太阳属于G型主序星,或者说是黄矮星。这意味着太阳在恒星家族中都不算大的,比太阳大的恒星非常多。

    要知道,太阳的质量已经十分巨大,但是在宇宙中还存在着太阳质量好几倍,甚至是几十倍的特大质量恒星。这些恒星的引力是十分可怕的,自身就会受到非常大的引力作用。照理说,如果没有什么意外,恒星应该在引力作用下压缩成一个点。但问题就出现了,在引力挤压的过程中,会引发核聚变反应。核聚变反应会产生一个对外的压力,因此来对抗引力,形成动态平衡。

    核聚变反应首先烧的是氢原子核,再然后烧得是氦原子核,接近只要质量足够大,还会继续烧碳原子核,氧原子核,一直持续产生铁原子核。铁原子核是最稳定的原子核,要促发铁原子核反应是要搭进去很多能量的,这意味着之前的核聚变反应是产生能量,而到了铁原子核则是吸能的反应。因此,只有质量达到8倍太阳质量以上,才可以继续反应。这时候,就会发生超新星爆炸。

    超新星爆炸之后,恒星还会留下一个核,这个核的质量如果大于1.44倍太阳质量,小于3倍太阳质量,就会形成中子星。中子星其实就是引力和中子的简并力相互平衡的天体。

    简并力其实不是四大作用力,它甚至不算是“力”,而是因为中子之间不能有重叠的量子态,因为这种规则,产生了一种类似于“力”的量子效应,这种效应抵抗住了引力。

    但是如果剩余的质量是大于3倍太阳质量,那么中子的简并力也无法定抗住引力,这个时候,按照理论应该会存在一种“夸克星”,也就是完全由夸克构成的天体,夸克的简并力抵抗住引力,但夸克抵抗不住引力时,就会形成黑洞。但事实上,我们如今也没有发现任何夸克星的存在,因此,我们目前认为这类超新星爆发后,不是形成了中子星,就是形成了黑洞。

那你可能要问了,强力去哪了?

    就像上文我们说到的,强力和弱力的作用范围很小,是在微观尺度上的。因此,对于宏观尺度,它们其实起不到什么太大的作用。因此,在恒星演变的过程中,强力和弱力根本起不到什么太大的作用。因此,引力可以作为主导,完全就是因为天体足够大。

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