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通过对微观世界的不断探索,科学家们发现自然界存在四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。

下面先简单了解一下这四种基本作用力,更有利于我们对引力的理解。

首先来说最强的作用力,强力。其实从名字就能看出来,强力是非常强大的,如果强力的大小是1,那么排名第二的电磁力只有173分之一,第三的弱力为10的负15次方,最弱的引力只有10的负39分之一。

强力体现在微观领域,能够把质子中子,夸克与夸克结合在一起,因此这种力量非常强大,不然就不会形成稳定的原子核。

假设我们想把原子核揉碎,就需要克服强大的强力,目前来看方法只有两种。

第一,利用强大的粒子对撞机,让两束粒子以非常接近光速的速度发生碰撞,碰撞瞬间产生超强的能量,足以敲开原子的外壳,如此这样两个核子就能融合在一起,形成新的物质。

第二,就是我们经常说的核聚变,在极度高温高压下,原子外围的电子会成为自由电子,然后不同的核子之间会发生融合,突破强力的作用形成新物质。

这个过程就相当于把核子“掰开”,进行重新组合,而“掰开”原子核需要克服的就是强力,需要极其强大的外部能量才能做到。

强力作用只会表现在非常小的尺度,需要在10的负15次方米的范围内,才能起作用,因此日常生活中我们根本感受不到强力的影响。

弱力

相比强力,弱力的作用距离更短,只有在电子,中微子,夸克层面才能发生作用,因此我们在宏观世界也不能看到弱力的存在。

不过,我们所在的宏观世界存在很多现象,都是由弱力引起的,比如说普遍存在的辐射现象,像X射线,阿尔法,贝塔和伽马射线中的粒子,都是靠弱力从原子核内部把它们抛射出来。

电磁力

电磁力是我们现实生活中最常见的力。除了引力之外,我们能感受到的力,全部都是电磁力,比如说摩擦力,弹力,机械力,还有电波声波等,本质上都是电磁力。

电磁力主要体现在带电粒子之间,具体来讲就是同电荷排斥,不同的电荷吸引。电磁力是依靠光子来传递的,具体来讲光子的交换产生电磁力。不过这里的光子并不是实体光子,不是我们每天看到的光子,而是虚光子,是虚拟的,因此并不能被我们直接探测到。

最后就是引力。

上物理课上我们都学过引力,牛顿在几百年前就提出了伟大的万有引力定律,认为任何两个物种之间都存在引力。不过对于引力的本质,爱因斯坦有着不同的看法,他认为引力并不是一种力,只是时空弯曲的结果而已。

不管引力的本质是什么,也不管引力是否真的存在,都不影响我们对它的研究,因为所谓的引力和引力本质,更多的也只是人类的一种定义而已,我们并不能否认物体之间的相互吸引作用。

毫无疑问,引力是四种基本作用力中最弱的力,从两个方面可以明显看出来。

第一,在分子原子等微观层面,相比较其他三种力,引力作用几乎完全可以忽略不计,几乎不会带来任何影响。

第二,即便是在宏观世界,我们可以轻松对抗引力。比如说成年人可以轻松举起一个婴儿,要知道,你在完成这个动作的时候,是在对抗整个地球对婴儿的引力。

不过,引力虽然很微弱,却有一个致命的“杀手锏”,引力的作用范围可以延伸到无限远。也就是说,不管距离有多远,两个物体都会产生引力,引力强度与物体的质量成正比。

这就表明,只要让质量不断累积,虽然微弱的引力也可以非常大,甚至可以无限大。

引力的这种特性,也是宇宙中不断诞生出各种诡异天体的原因所在,比如说地球,太阳,白矮星,中子星,还有更恐怖的黑洞。

理论上讲,任何物体只要被浓缩在自己的史瓦西半径内,都可以凭借引力作用坍缩为一个黑洞。那么,具体是如何坍缩为黑洞的呢?

黑洞,通常都是大质量恒星在死亡过程中,无限向内坍缩形成的。具体来讲是这样的。

在生命周期内,恒星都能保持稳定,这是因为恒星自身的引力,与核聚变产生的巨大外推力一直保持微秒的平衡,让恒星既不会因引力作用迅速向内坍缩,也不会因核聚变爆炸成“碎片”,这也是太阳等恒星能保持数十亿年稳定的原因所在。

不过,随着恒星氢燃料的逐渐减少,核聚变的威力开始下降,引力开始占据上风。而一旦核聚变完全停止,引力就是彻底占据主导作用,恒星物质开始急剧向内坍缩,但通常并不会无限向内坍缩。

这是因为“电子简并压”和“中子简并压”的存在,这两种力量通常会对抗引力,让引力不会无限向内坍缩。这两种力量到底是什么呢?

根据泡利不相容原理,两个微观粒子不能处于相同的量子态,比如说电子,在一个量子态只能有一个电子,如果有其他电子在引力作用下试图进入另一个电子的量子态,就会产生强大的电子简并压,这种力量很强大,阻止恒星在引力作用下继续探索。

不过,如果恒星质量很大,连电子简并压也阻止不了引力,结果就是电子继续被压缩,一直被压缩到原子核上,与质子结合形成中子,这就是中子星的由来。

而中子之间存在更强大的“中子简并压”,阻止引力造成的进一步坍缩。但是刚才讲了,只要物体的质量足够大,就会形成足够大的引力。因此只要恒星质量足够大,中子简并压也不是引力的对手,结果就是所有的中子被无限压缩,最终压缩到一个体积无效小的空间内,所谓的“奇点”,也就是黑洞。

黑洞和奇点,是超乎我们认知的存在方式,人类目前已知的所有大自然法则在黑洞面前都失效了。科学家们大胆猜测,黑洞和奇点很可能不属于四维时空,而是高维度的存在。

这就是引力作用力产生的黑洞。引力虽然微弱,但架不住质量足够大,就可以形成足够强大的引力,诞生出黑洞这样诡异的天体。

最后,也有科学家猜测,引力之所以如此微弱,有可能是部分引力泄漏到了高维度空间,而这种猜测也被应用到了著名科幻电影《星际穿越》里,男主人公在五维度时空可以通过引力与女儿“交流”!

不过,有关高维度的概念目前更多的还是猜测,并没有在实验中证实。

完!

原文链接:https://www.toutiao.com/article/7337155457071399443

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