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重力是四種基本力中最弱的力,為何還能塌縮出恐怖的黑洞?

2024-10-14科學

關於黑洞的話題總是引人入勝,自從愛因史坦在廣義相對論中預言了黑洞的存在,到上一年我們人類有幸首次目睹了黑洞的影像,時間跨度長達百年,我們終於得以窺見黑洞的真實面貌。

黑洞無疑是宇宙中最為奇異的天體,其中心奇異點體積無限小,卻擁有無比巨大的重力,甚至連光線也無法從中逃逸。

因此,在黑洞的事件視界之外,我們往往看到的是一片黑暗。然而,我們能夠透過環繞其周圍的光亮吸積盤間接推斷黑洞的位置,正是借助其強大的重力。但為何這種力量被稱為四大基本力中最微弱的一個呢?

我們所知的四種基本力包括重力、弱核力、強核力以及電磁力。

強核力

單從名字即可得知,它是目前已知的自然界中最強的一種力,它能夠把質子和中子內的誇克緊密地結合在一起,同樣也可以將原子核中的質子與中子結合。若要使用我們的技術將一個原子擊碎,或者分離原子核,亦或是將其融合,目前僅存在兩種途徑。

首先是在大型強子對撞機中,讓兩束粒子以相反方向加速至接近光速,透過它們之間的對撞來打破原子的外層結構,這樣兩個核子就有可能結合為全新的物質。

其次是透過核融合,在高溫或高壓的條件下,使電子脫離原子核成為自由電子,讓不同的核子結合,生成全新的物質。

這充分顯示了強核力蘊含的巨大能量。但需要註意的是,強核力僅在原子尺度起作用,且作用距離需在10的負15次方米之內,大約等同於質子的直徑範圍。

弱核力

它的作用距離極短,並且只在電子、誇克、層子、微中子等費米子層面起作用,主宰著微觀世界。盡管目前人類還無法直觀觀測到弱核力,但它卻控制著放射性現象,如我們世界中常見的X射線、α、β、γ射線中的粒子,就是弱核力作用下從原子核內部射出的,並在核融合中扮演了不可或缺的角色。

電磁力

電磁力主要在帶電粒子間起作用,正電荷與負電荷相互吸引,同種電荷則相互排斥,電量越大,作用力也越強。電磁力是透過一種名為光子的無品質、有載力的玻色子作為媒介而產生的,其中光子構成了光。然而,在帶電粒子間交換的帶力光子,其實是光的不同表現形式,它們是虛擬粒子,無法直接探測。

電磁力在我們的生活中扮演了至關重要的角色,從原子和核外電子的運動規律,到電波、摩擦、機械運動、聲波等,這些都是電磁力作用的外在表現。換言之,若沒有電磁力,我們將無法看到閃電、聽見雷鳴,飛機、火箭、高鐵等也將不復存在。

重力

重力描述的是兩個具有品質的物體間的相互吸引。牛頓首先提出了萬有重力,他認為重力是物質間相互吸引的結果。而愛因史坦則持有不同觀點,他認為在廣義相對論中,重力並非一種力,而是物體使時空彎曲的產物。

盡管萬有重力制約著當前宇宙天體的運動,但它無疑是已知基本力中最弱的一個。尤其是在分子和原子尺度上,萬有重力幾乎可以忽略不計。

然而,萬有重力的存在卻有著巨大的意義,與其他基本力不同,它的作用範圍可以無限延伸並能無限累加,與品質分布密切相關。換言之,只要在一定空間內累積足夠多的品質,重力強度便可無限增大。

正是萬有重力促成了恒星、中子星、黑洞等天體的形成。試想,當一個物體的品質足夠集中,以至於達到其史瓦西半徑時,那麽這個物體所受的最微弱的重力將轉變為最強大的力量,其無窮大的曲率會將一切靠近的物質撕碎並吞噬,哪怕是光也難以逃脫。

黑洞的構成主要有兩種方式:大品質恒星的演化和黑洞合並。

大品質恒星的演化

通常情況下,大品質恒星的演化是黑洞形成的主要途徑。當大品質恒星演化為紅巨星時,恒星內部的融合反應會在鐵核心停止,因為鐵元素非常穩定,無法再進行分裂或融合,從而沒有能量釋放或放射線壓力產生。

此時,重力占據主導地位,導致恒星緩慢向內收縮或快速坍塌。由於核心只剩下鐵元素,恒星無法繼續抵抗強大的重力,最終導致坍塌,形成黑洞。

黑洞合並

如其名所示,黑洞合並是兩個黑洞結合形成一個更大的黑洞。這通常發生在大品質恒星演化出黑洞之後,當兩個演化而來的黑洞相遇並相互旋轉時,形成二元黑洞,在特定條件下,這兩個黑洞最終會合並為一個。

然而,合並形成新黑洞的過程極為困難,由於黑洞相遇的路徑不同以及角動量守恒,兩個黑洞在一定距離(約1秒差距)時會停止旋轉。

重力坍塌

當天體內部物質之間的斥力無法與重力抗衡,導致物質向核心聚集時,便會發生重力坍塌。

在宇宙中,大品質天體的聚集會產生巨大的重力,而黑洞則是極度彎曲的天體。因此,重力的無限延伸和累加特性使得大品質恒星在坍塌時有可能形成黑洞。

總而言之,黑洞作為宇宙中最引人註目的天體之一,其形成的過程和特性充滿了神秘和魅力。隨著科學的進步,我們將不斷深入了解這個宇宙的奧秘。