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黑洞是宇宙中最神秘、最奇特的天体之一。它们是具有极强引力场的时空区域。
当物体被压缩到其物理尺寸小于其引力半径(史瓦西半径)时,黑洞就会形成。引力半径是逃逸速度等于光速时距物体
中心的距离。这是临界半径,超过这个半径,引力就非常强大,任何东西都无法逃脱,甚至连光也无法逃脱。
理论上,任何能够通过引力自塌缩(在引力的影响下迅速收缩到小于其引力半径的尺寸)的物体都可以在保持其原始质量的情况下成为黑洞。例如,太阳要变成黑洞,必须被压缩到一个小城市的大小;地球必须被压缩到核桃大小。幸运的是,其中一个或另一个都无法自发地变成黑洞。
但单个原子能否成为黑洞,即使不是独立的,而是在实验室条件下?
原子黑洞
物体的质量越大,其引力半径就越大。对于恒星这样的天体来说,这个半径可以是几十、几百公里。但对于原子来说,它可以忽略不计——大约 10 到负 33 厘米。
尽管理论上原子在坍缩时可以达到巨大的密度,但原子在物理上无法缩小到其引力半径的大小(更小)。由于以下几个原因,这是不可行的:
量子效应
在亚原子层面,量子力学定律起作用,禁止粒子以相同的状态存在。这可以防止原子变得非常致密。
静电(库仑)斥力
原子核中的质子由于电荷而相互排斥,从而防止原子核完全塌缩。
泡利原理
根据这一基本原理,两个相同的粒子不可能处于相同的量子态。这也可以防止原子变得过于压缩。
因此,原子无法克服所有这些基本的量子限制,并且无法缩小到小于形成黑洞所需的引力半径的尺寸。即使是密度极高的中子星,其引力半径仍然明显大于其引力半径。
因此,无论原始原子有多大,它永远不可能成为黑洞。大自然对亚原子粒子如何相互作用施加了严格的限制,使得原子尺度的黑洞不可能存在。
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