03.07 四種作用力中最弱雞的引力,為何能坍縮出宇宙無敵的黑洞?

黎小潔


答: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。

四種相互作用都有著各自的特點,使得每種力在不同的尺度下發揮著作用,它們的幾個重要性質對比如下:

可以看到,強力和弱力的作用尺度非常小,基本只在原子核尺度有效,而且對距離的衰減非常快,所以無法對宏觀世界產生影響。

電磁力的作用範圍是無限的,小到原子核對核外電子的束縛,大到地球產生的地磁場等等,電磁力都發揮著重要作用,但是電磁力有個最大的特點,就是有吸引力和排斥力之分,比如同性電荷相互排斥,異性電荷相互吸引。

這就導致電磁力很容易被抵消掉,比如一千克的氫原子,如果把質子和電子完全分開,放到相距0.3米的地方,相互之間產生的吸引力就和地球對月球的萬有引力大小相當,但是將電子和質子混合在一起後,整體對外就不顯電性,也不會對外面的電荷產生庫侖力,這個性質使得電磁力在大尺度上的影響很有限。

我們日常看到的物體,包括組成我們身體的物質,其實都被電磁力主宰著,原子間因為化學鍵連接起來,但是不同原子的原子核因為排斥力相互遠離,平常我們接觸到的所有力,除了重力之外本質上都屬於電磁力,比如摩擦力、拉力、壓力、空氣阻力、磁力等等。


引力相互作用

但是萬有引力就不一樣了,雖然萬有引力的強度遠比另外三種力弱,但是萬有引力的作用範圍無限遠,並且可以無限疊加,其強度完全取決於質量分佈,只要在一定空間內不斷增加質量,引力的強度就能無限增加。

對於一顆恆星來說,本質上就是電磁力和引力形成的一種平衡,引力使恆星趨向於坍縮,電磁力阻止了恆星的坍縮,中子星則是強力和引力形成平衡的產物。

對於中子星來說,如果自身質量繼續增加,超過了奧本海默極限(大約3倍太陽質量),那麼萬有引力將疊加到任何力量也無法阻止其坍縮,最終變為黑洞,黑洞內部的情況已經超出了目前物理學研究的範疇。

根據廣義相對論的描述,任何進入黑洞視界的物質都無法逃離出來,黑洞奇點處的引力無窮大,密度無限大,擁有著宇宙中最強的破壞力,這正是引力無限疊加的後果。


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引力一是沒有正負極性,不能抵消,可以無限疊加,力的源頭質量不隨時間變化消失。二是沒有距離限制。三是可以扭曲空間和維度。有人認為,引力其實是可以穿透四維空間的力,引力由於一部分發散到了第四維度空間,所以看起來比較弱。當然引力除局部外必須小於其他力,否則宇宙也會不存在,全部都塌縮掉了。

而強力、弱力作用距離在原子核範圍。物質塌縮時強力和弱力等於幫了引力。

電磁力雖然作用距離無限,但有電磁作用力的物質需要有極性和能量,而極性會相互抵消。通常物質的正負電荷比例是1:1的,相互抵消的。物質總量與電磁力不成正比,電磁力需要能量輸入(使得正負電荷有差異),電磁力還必須要維持原子結構,如果原子之間半徑小於原子核範圍,質子與電子的正負電荷就會抵消,電磁力反而就會消失(變成中子星)。所以物質電磁力因能量密度限制是有極限的,不能無限增加。另外電磁能量會隨時間逐漸向外輻射消失。電磁力不能維持不變。

因此,引力在充滿物質的宇宙看時弱小,其實是最強大的。有句話說團結就是力量。


維度開拓者


宇宙中的四種基本作用力是:強力、弱力、電磁力和引力,這些基本作用力的列表如下,從圖中可以看到,引力的相對強度最弱,但是為什麼在宇宙中反而是引力的作用反而是最廣泛、最強烈的呢?

答案很簡單,因為引力作用是可以無限正向疊加的,其他的力都沒有這個效果。

比如說強力作用和弱力作用,這些基本作用力雖然強度非常大,但是作用範圍非常小,超過一定的範圍之後就不會再產生力的作用了。所以原子雖然到處都是,但是一個原子和整個銀河系的原子產生的強/弱力作用沒兩樣。

而電磁力雖然強度很高,同時作用範圍是無限遠的,但是電荷有正有負(比如說下圖原子中的正負電荷就是剛好相互抵消),宇宙中絕大部分物質都是電中性的——也就是不對外界產生電磁力。

所以說,所有的基本作用力中,只有引力作用是可以疊加的,而且只有一個方向【反物質也是有的,但是總量可以忽略不計】,一公斤的物質產生的引力不大,但是一億噸的物質產生的引力就不小了,而且只要你願意,宇宙中有的是物質讓你做這個加法。就算是太陽這樣的龐然大物,在宇宙中都是小弟弟

因此,引力作用的獨特性質導致了這種力的作用可以無限疊加,雖然強度不大,但是大量物質產生的總的作用力卻非常可怕。這就是“螞蟻啃大象”、“人多力量大”。


航小北的日常科普


用力對於強力弱力電磁力這些的確比引力力量大,但胳膊太短了電磁力基本在原子層範圍,強力弱力更是隻在原子核範圍。引力呢胳膊是無限的。所以你在10米外你臂力驚人但攻擊範圍就在1米,而我呢手無縛雞之力但可以在10米外可以打到你(這裡設定胳膊不會互相碰到,不能擋,不能移動,你我捱打就會有傷害只是大小區別)你誰這樣誰贏?肯定是我,誰然你爆發力一下KO我,但打不到你說你怎麼辦?

所以不是誰力量大誰主導,還要看範圍


nt01


作用距離大、條件低。


力222210953


可以這麼理解,樓主你說的這些力中,除了引力,其他力量都無法達到一個無限疊加的效果,只有引力可以無限疊加而且對於他是最快速的擴張效果,玩過球球大作戰的話就會有很深的感受,星球越大引力越強,引力越強星球越大,相互疊加


黃泉路上彩虹橋


只因質量足夠大。


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