万有引力并不强,为什么能够将恒星压缩成中子星、黑洞?
万有引力、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用是已知的四种基本相互作用。万有引力给人一种比较弱的感觉,因为万有引力常量的数量级只有十的负11次方,而库仑力中静电力常量的数量级高达十的9次方。
其实不能说万有引力比库仑力差了20个数量级,因为公式中一个单位的质量、一个单位的电荷量完全是人为规定的,1库伦的电荷量被定义的非常大,使得静电力常量有了可怕的数量级。在日常生活中,人们更容易体会到万有引力。人受到的重力作用,就是由万有引力引起的;地球、太阳等就是大量的物质由于万有引力聚集在一起形成的。
万有引力是与距离的平方成反比,距离比较大时可能会觉得这个力比较小。当距离逐渐减小时,万有引力会按平方规律急剧增加。尤其是到了微观领域,距离变为原来的十亿分之一后,按照平方反比定律,万有引力会变为原来的十亿的平方倍,这是比较恐怖的。
恒星是由大量的物质聚集在一起形成的,万有引力的作用使得恒星中心附近的压强和温度非常高,能够点燃中心处的核聚变。中心处核聚变释放出能量又阻碍着万有引力进一步将恒星压垮。中心处的核聚变不断的消耗物质,万有引力就会步步紧逼,最终的结果就是引力将恒星压垮。
恒星最终被压垮到什么程度也是与万有引力的大小有关,万有引力的大小又取决于恒星所含物质的多少。像太阳这样的质量不算太大的恒星,电子简并压可以对抗着引力的进一步压缩,这样的恒星最终会变为白矮星。
质量更大一些的恒星所含的物质就更多一些,能够给中心处施加更大的压力。如果恒星残骸的质量超过1.4倍太阳的质量,电子简并压也无法抵抗进一步压缩,万有引力会将电子压到质子中,直到中子简并压和引力产生的压力相平衡。这样就形成了中子星。
如果恒星残骸的质量超过3倍的太阳质量,中子简并压也无法抵抗引力的压缩,恒星最终会变成黑洞。并且,在压缩的过程中,没有任何力量能够阻挡引力,这样就会将物质压缩到黑洞中心处的一个体积无限小、密度无限大的奇点中。这就是引力的强大。
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