“重力”是超級無敵的存在嗎?為什麼“重力”會引起恆星坍塌,直至成為黑洞?

KT大澤


“重力”是超級無敵的存在嗎?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?

在瞭解引力為何有如此巨大的力量之前,我們來簡單分析下幾種基本作用力!

一、強作用力

這是四種基本作用力種最為強大的力量,但比較好玩的是它的作用距離非常短,僅僅在10^-15-10^16M的範圍內作用,大於這個距離就沒有效果了!

二、電磁力

原子與原子結合之間的力,我們接觸到固體等能成塊就是電磁力的作用!

在這裡必須要中斷下繼續介紹基本作用力,第一種強作用力的力量非常強大的,比如質子與質子以及與中子之間的結合力量是非常難打破的,傳說中的“水滴”表面就是強作用力材料製成,但事實上有一個非常有趣的現象,理論上原子核都是中的質子和中子都是強作用力束縛住的,但當中子與質子過多時候,比如92號的鈾元素,因為強作用力並不能無限疊加,超出其作用範圍就會被質子之間的電磁排斥力(都帶正電)所抗衡,當這個質子球球越多,那麼其不穩定就會越甚!因此92號以及以上的放射性元素都會衰變,比如118號元素甚至毫秒級即衰變成116號元素了,很快又將衰變成114號元素.......

簡單的說最強大的兩種力,強作用力和電磁力都無法成為推動黑洞的作用力,因為它們會打架!

三、弱作用力

這是倒數第二、作用距離第一短的作用力,它只作用於電子、夸克層子、中微子等費米子,這是有選擇性的,它胃口不好,挑食!

四、引力

最後只剩下了啥都不挑的引力,因為即使是無限遠距離的電磁力在同種電荷的作用下依然是排斥的,所以擔當坍縮出黑洞的大任就落到引力身上了!引力盡管非常微小,但它作用距離無限,這是第一,第二,力量不夠數量來湊,當逐漸因引力聚集到一起的物質最終將會變成極其龐大的一個天體,那麼超過電子簡併力只是一個時間問題,這是形成變態天體的第一個關鍵!

1.電子簡併力:根據泡利不相容,兩個或兩個以上的粒子同時處於相同的單粒子態,所以電子並不能疊在一起得到超級壓縮的物質,這就是白矮星對抗坍縮的力量來源,但很抱歉這不是四種基本力!而壓垮這個極限是錢德拉塞卡極限!也就是白矮星超過1.44個太陽質量

2.中子簡併力:和電子簡併力一樣,這是引力坍縮下電子進入到原子核內部和質子中和成了中子,它是中子星對抗引力坍縮的法寶,當然終有一根稻草將壓垮駱駝!這根稻草的極限是恆星坍縮時候內核大於3.2個太陽質量!

3.傳說中存在夸克星 但很可惜並沒有實際觀測到這樣的天體,所以我們假定它存在

4.引力戰勝了一切 成了宇宙中BUG一樣存在的黑洞!此時,物質世界所有的力都崩潰了,最弱雞的引力成了笑到最後的王者!


星辰大海路上的種花家


答: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,一是隻有吸引作用,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。

在自然界中,人類發現的有四種基本相互作用,分別是強力、弱力、電磁力和引力,其中引力的強度是最弱的,比電磁力弱上10^36倍;比如磁鐵對一塊鐵的吸引力,就能超過整個地球對磁鐵的萬有引力作用。

電磁力的作用範圍也是無限的,但是電磁力存在吸引力的同時,也存在排斥力,大量正負電荷混在一起,整體就不再顯電性,電磁力的合力也就抵消了。強力和弱力只在非常小的尺度範圍內起作用,對宏觀世界沒有直接影響。


恆星在主序星時期,利用核聚變方式釋放大量能量,這股能量可以和恆星自身的引力相抗衡,從而達到一種動態平衡;一旦恆星的核聚變燃料消耗殆盡,核聚變反應大大減弱時,引力就會逐步佔據主導。

然後在某一時刻,引力徹底引起恆星內核塌縮,隨即發生反彈,以超新星的形式結束“生命”;最後就有可能留下一顆中子星或者黑洞,此時引力成為主導,再也沒有任何力量能和引力抗衡。

原子也將被黑洞的引力壓碎,至於黑洞的物質形態,目前還是一個謎團;廣義相對論描述,黑洞奇點的體積無窮小,密度無窮大,時間和空間在這裡無限摺疊,一切靠近黑洞的物體,都將被吸入奇點。


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事實上,在同一量級引力是最弱的。這個宇宙中有四種基本作用,按強度排序:強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。

如果強相互作用力為1,電磁力就是1/137、弱相互作用力為10∧-6、引力只有10∧-39。

雖然引力非常弱小,但它的作用範圍卻是無窮遠的,而且可以無限疊加。所以,在大尺度空間裡,引力占主導地位。

在恆星核心發生的核聚變,其本質就是:在重力壓縮以及高溫度賦予原子核極高的動能作用下,克服兩個較輕原子核之間的電磁斥力(原子核都帶正電荷,同性相斥),將其壓縮到強相互作用力能夠作用的範圍(10∧-15米),由強相互作用力將兩個輕原子核融合成一個較重原子核的物理過程。只有質量達到了木星的80倍才能點燃氫的核聚變,可見重力在四種基本力裡有多弱。

圖:褐矮星想象圖

當太陽質量這麼大的恆星在燃料耗盡後,就不會產生輻射壓(本質上就是電磁力)阻擋太陽重力的坍縮了,壓力會將原子周圍的電子壓到最低能量級,由電子簡併壓來阻擋重力的坍縮。這就是白矮星。

圖:白矮星

當質量超過1.44個太陽質量時,電子會被壓縮到原子核內部,與質子結合形成中子,由中子簡併壓阻擋重力的坍縮。這就是中子星。

圖:中子星

如果質量大於3.2個太陽質量,就沒有什麼能阻擋質量的坍縮了,它會坍縮成奇點形成黑洞。

圖:黑洞


講科學堂


這是我的本命題啊!

如上面答友所說,宇宙中有4種基本作用力:強相互作用力、電磁力、弱相互作用力和引力。

這是按照力的強度來劃分的,引力屬於最小的一種基本作用力。

強相互作用力,可以把原子核裡的質子和中子牢牢地捆在一起,想扒開他們,都要做好製造一場核爆炸的準備,足見其力量之強大。

再說電磁力,世界上最強的磁鐵,銣磁鐵,一旦相互吸引,一頭牛都拉不開。

弱相互作用力雖然不強,但也是引力所無法比擬的。

接下來,就是題主的問題了:為什麼明明引力這麼弱雞,卻能讓恆星發生坍塌,最後形成中子星或者黑洞呢?

答案就在引力的作用方式。

這裡就不列那些看不懂的公式了。我們先以地球和月球為例,進行一項對比。

假如我們把地-月模型按比例縮小,變為原來的一半,假設地月密度不變,按照萬有引力公式,此時,兩隻之間的引力只有原來的1/16。

讓我們繼續縮小,讓地球變成127.56mm的球,月球直徑變成34.76mm,兩個球體之間的距離也變為3.844米。引力變成多少了呢?

原來的1/1後面32個0。

通過這個例子,你發現了什麼?引力隨著物體又大變小,便會以幾何基數減小,這也解釋了為什麼人與人之間為什麼沒有因為引力而黏到一起了。

那麼反過來想一下,當物體不斷的變大,引力也會以幾何基數變大,當物體已經大到天體的級別,其引力已經超出你的想象了。

所以,結論來了:在圍觀層面,引力最強,在普通的宏觀世界,電磁力是王者,但到了天體的層面,那就是萬有引力統治的天下了。

引力不光是天體之間的相互作用,對於恆星自己,引力也同樣是巨大的。太陽只有通過不斷的核爆炸才能抵抗中心引力的束縛,核聚變一旦停止,太陽將會在引力作用下,不斷收縮,最後變成一顆質量極大的白矮星。

四種作用力的對比。從本質上而言,四種作用力應該是同一種力,但是現在其它四種作用力的傳遞粒子都已經找到了,也基本可以統一了,唯獨引力的媒介粒子引力子沒有被發現,所以,引力依然是神秘的。

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重力是四種基本作用力之一,在這四種力之中,重力在強度上其實並不突出。

大自然中的四種基本作用力包括有重力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力,其相對強度和作用範圍如下圖所示。其中可以看到,重力其實是四種基本作用力之中相對強度最低的。

但是,雖然重力作用很微弱,卻架不住這種力的作用範圍是無限遠。

因為重力作用的範圍是無限遠的,所以理論上哪怕是一顆原子,其產生的引力場也會吸引遠在天邊的另一顆原子。簡單說,宇宙間的所有物質之間都在互相產生著引力作用,無論之間相隔多遠。

有人看到電荷的作用範圍和相對強度之後會問,電荷之間產生的電荷作用力遠比引力要大,而且作用範圍也是無限遠的,為什麼電磁力在宇宙中沒有像引力那樣明顯呢?答案就是電荷雖然在宇宙中是廣泛存在的,但是同時存在正負兩種電荷,而且在絕大部分時候一個物體內部的電荷是互相相等的,這就意味著絕大部分物體都是“電中性”的。

而宇宙中絕大部分物質是正物質,只有極少量的反物質,所以只要物質足夠多,那麼引力就會足夠大,並不會發生正反物質產生的引力作用互相抵消的情況。而宇宙中什麼東西最多?答案當然就是“物質”了。不用說黑洞這樣的無底洞,就是一些恆星也具有令人歎為觀止的質量。

簡單說,只要足夠多的物質聚集在一起,那麼可以產生任意大的引力作用,雖然電磁力、強弱力的相對強度都很高,但是架不住引力“人多力量大”。


SilentTurbine


完全是星核外圍的爆炸引起的衝擊壓縮形成物質的高密度大引力,


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