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為什麽引力可以使恒星坍縮成黑洞?它不是四大作用力中最弱的嗎?

?力?的定義

1687年,牛頓發表了著作《自然哲學的數學原理》,在這本書中,他詳細闡述了他的力學三大定律和萬有引力定律。

要知道,在牛頓之前,其實還沒有人真正意義上地定義?力?的概念,當時有的認為力是壹種壓強,伽利略很接近定義?力?,但還遠沒有牛頓定義的嚴謹和具有科學性。

如果妳要問,什麽是?力??,根據定義,我們可能要回答,?力?是改變物體運動方向的原因。

這個定義其實是經典物理學中關於?力?的定義。這個定義到了近代發生了變化。這是因為科學家發現,?力?還可以改變粒子的種類。最典型的例子就是粒子的衰變現象,比如:?衰變。壹個中子衰變成壹個質子、壹個電子和壹個中微子,在這個過程中,是通過弱核力來實現的。

四大作用力

因此,力不僅僅可以改變物體的運動狀態,這個定義應該被進壹步地拓展。隨著20世紀物理學的發展,科學家發現,在我們的宇宙中,其實不僅僅存在著引力和電磁力,在原子層面,還存在著兩種核力,壹種叫做強核力,壹種叫做弱核力。

正是因為核力的存在,才確保了原子核的結構得以存在,而弱核力會參與到衰變當中。在這四種作用當中,強核力的強度是最大的,而引力則是最小的,兩者的強度差了38個數量級。不僅如此,它們作用的尺度也不同。強力和弱力的尺度都在原子核尺度上下,而電磁力和引力則是沒有範圍的。

不僅如此,科學家還試圖把這幾種力通過壹套理論統壹起來。目前來看,弱力和電磁力被統壹了起來,強力勉強算是?半個統壹?,並沒有和弱力、電磁力完全融合成壹套理論。

而引力則壹直無法和其他三個力結合到壹起。目前描述引力的主流理論還是愛因斯坦的廣義相對論,在廣義相對論中,引力的本質是時空的彎曲。

黑洞到底是咋回事?

根據上述的描述,我們知道,引力和強力沒有辦法融合到壹套理論中,並且兩者差距巨大。那麽問題就來了,引力明明是四大作用力中最弱的,但是為什麽黑洞是在引力作用下最終形成的呢?

在宇宙中,壹個天體的演化和它自身的質量是分不開的。很多人其實對於天體的量級是完全沒有概念。我們來舉壹個例子,我們平時看到的太陽系模型的比例都是比較離譜的。

那真實的情況是什麽樣的呢?

太陽是整個太陽系絕對的主宰,占據了整個太陽系總質量的99.86%以上,而地球僅僅只有0.003%左右,太陽質量是地球質量的130萬倍。如果把地球放到太陽面前,那地球真的是連渣都不算。

那太陽夠大了吧?

但妳知道嗎?太陽屬於G型主序星,或者說是黃矮星。這意味著太陽在恒星家族中都不算大的,比太陽大的恒星非常多。

要知道,太陽的質量已經十分巨大,但是在宇宙中還存在著太陽質量好幾倍,甚至是幾十倍的特大質量恒星。這些恒星的引力是十分可怕的,自身就會受到非常大的引力作用。照理說,如果沒有什麽意外,恒星應該在引力作用下壓縮成壹個點。但問題就出現了,在引力擠壓的過程中,會引發核聚變反應。核聚變反應會產生壹個對外的壓力,因此來對抗引力,形成動態平衡。

核聚變反應首先燒的是氫原子核,再然後燒得是氦原子核,接近只要質量足夠大,還會繼續燒碳原子核,氧原子核,壹直持續產生鐵原子核。鐵原子核是最穩定的原子核,要促發鐵原子核反應是要搭進去很多能量的,這意味著之前的核聚變反應是產生能量,而到了鐵原子核則是吸能的反應。因此,只有質量達到8倍太陽質量以上,才可以繼續反應。這時候,就會發生超新星爆炸。

超新星爆炸之後,恒星還會留下壹個核,這個核的質量如果大於1.44倍太陽質量,小於3倍太陽質量,就會形成中子星。中子星其實就是引力和中子的簡並力相互平衡的天體。

簡並力其實不是四大作用力,它甚至不算是?力?,而是因為中子之間不能有重疊的量子態,因為這種規則,產生了壹種類似於?力?的量子效應,這種效應抵抗住了引力。

但是如果剩余的質量是大於3倍太陽質量,那麽中子的簡並力也無法定抗住引力,這個時候,按照理論應該會存在壹種?誇克星?,也就是完全由誇克構成的天體,誇克的簡並力抵抗住引力,但誇克抵抗不住引力時,就會形成黑洞。但事實上,我們如今也沒有發現任何誇克星的存在,因此,我們目前認為這類超新星爆發後,不是形成了中子星,就是形成了黑洞。

那妳可能要問了,強力去哪了?

就像上文我們說到的,強力和弱力的作用範圍很小,是在微觀尺度上的。因此,對於宏觀尺度,它們其實起不到什麽太大的作用。因此,在恒星演變的過程中,強力和弱力根本起不到什麽太大的作用。因此,引力可以作為主導,完全就是因為天體足夠大。