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第16章 强相互作用与引力的比较

宇宙能量论 一梦解千愁 1293 2025-11-14 09:58

  1.力量对比:一场“巨人”与“蚂蚁”的战斗

  首先,直观感受一下四种基本相互作用的相对强度(假设强相互作用为1):

  相互作用

  相对强度

  作用范围

  强相互作用

  1

  ~10⁻¹⁵ m (原子核尺度)

  电磁力

  10⁻²

  无限远

  弱相互作用

  10⁻¹³

  <10⁻¹⁸ m

  引力

  10⁻³⁹

  无限远

  结论显而易见:强相互作用比引力强了大约10³⁹倍(即1后面跟着39个零)!在原子核的微观世界里,引力完全可以忽略不计,强相互作用是绝对的王者。

  2.战场一:原子核内部(强相互作用完胜)

  引力想做什么:质子带正电,它们之间存在巨大的电磁斥力。引力试图将所有核子(质子和中子)拉拢在一起,但它的力量太微弱了,根本无法对抗电磁斥力。

  强相互作用做了什么:强相互作用(由胶子传递)在极短的距离内(约1飞米,即10⁻¹⁵米)发挥作用,它将核子牢牢地“粘合”在一起,形成了稳定的原子核。这种力远强于质子间的电磁斥力,从而保证了原子核不会因电磁力而飞散。

  结果:在这里,强相互作用不仅对抗了引力,它主要是为了对抗电磁力,并且轻松取得了胜利,奠定了物质世界的基础。

  3.战场二:中子星内部(史诗级的平衡)

  这是强相互作用与引力直接对抗最经典、最壮观的宇宙舞台。

  引力压缩:当一颗大质量恒星死亡坍缩时,其核心的引力强大到足以压碎原子。电子被压入原子核,与质子结合形成中子。

  强相互作用介入:整个星体几乎被压成了一个巨型的原子核(直径约20公里,质量却可达太阳的2倍多,密度极高)。此时,中子与中子紧密地挤在一起。

  量子力学的帮助:中子简并压力:由于泡利不相容原理(一种量子效应),这些中子会产生一种巨大的简并压力来抵抗进一步的压缩。这种压力的本质,就是强相互作用和量子力学共同作用的结果。

  形成平衡:

  引力:试图将整个星体进一步坍缩成一个黑洞。

  强相互作用(表现为简并压力):顽强地顶住了引力的挤压。

  结果:两者达到了一个极致的平衡,形成了一种稳定的致密天体——中子星。

  在这个战场上,强相互作用(以简并压力的形式)成功对抗了引力,阻止了引力最终获胜(即形成黑洞)。

  4.战场三:黑洞(引力的终极胜利)

  然而,宇宙中存在着引力的绝对领域。

  如果坍缩核心的质量超过了奥本海默-沃尔科夫极限(大约2-3倍太阳质量),那么引力将强大到连强相互作用产生的简并压力也无法支撑。

  引力会彻底压倒强相互作用、弱相互作用和电磁力,使得物质被无限压缩成一个奇点。

  结果:在这里,引力取得了最终胜利,形成了黑洞。

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