Kategorie: Zveřejněno: Květen 22, 2013
Gravitace je vlastně nejslabší ze čtyř základních sil. Seřazeny od nejsilnější po nejslabší jsou tyto síly: 1) silná jaderná síla, 2) elektromagnetická síla, 3) slabá jaderná síla a 4) gravitace. Pokud vezmete dva protony a podržíte je velmi blízko u sebe, budou na sebe působit několika silami. Protože oba protony mají hmotnost, působí na sebe navzájem gravitační přitažlivostí. Protože oba mají kladný elektrický náboj, oba na sebe působí elektromagnetickou přitažlivostí. Oba mají také vnitřní „barevný“ náboj, a tak působí přitažlivost prostřednictvím silné jaderné síly. Protože silná jaderná síla je na krátkých vzdálenostech nejsilnější, převládá nad ostatními silami a oba protony se spojí a vytvoří jádro helia (k udržení stability jádra helia je obvykle zapotřebí také neutron). Gravitace je v atomovém měřítku tak slabá, že ji vědci mohou obvykle ignorovat, aniž by se dopustili významných chyb ve svých výpočtech.
V astronomických měřítkách však gravitace převažuje nad ostatními silami. To má dva důvody: 1) gravitace má velký dosah a 2) neexistuje nic takového jako záporná hmotnost. Každá síla zaniká s tím, jak se oba objekty, na které působí, od sebe vzdalují. Rychlost, s jakou síly odumírají, je pro každou sílu jiná. Silné a slabé jaderné síly mají velmi krátký dosah, což znamená, že mimo malá jádra atomů tyto síly rychle klesají k nule. Malá velikost jader atomů je přímým důsledkem extrémně krátkého dosahu jaderných sil. Dvě částice, které jsou od sebe vzdáleny nanometry, jsou od sebe příliš daleko na to, aby na sebe mohly působit znatelnou jadernou silou. Pokud jsou jaderné síly tak slabé pro dvě částice vzdálené pouhé nanometry, mělo by být zřejmé, že v astronomických měřítkách jsou jaderné síly ještě zanedbatelnější. Například Země a Slunce jsou od sebe příliš vzdálené (miliardy metrů) na to, aby na sebe jejich jaderné síly dosáhly. Na rozdíl od jaderných sil mají elektromagnetická síla i gravitace fakticky nekonečný dosah* a jejich síla slábne jako 1/r2.
Pokud mají elektromagnetismus i gravitace fakticky nekonečný dosah, proč je Země udržována na oběžné dráze kolem Slunce gravitací a ne elektromagnetickou silou? Důvodem je, že neexistuje nic takového jako záporná hmotnost, ale existuje něco takového jako záporný elektrický náboj. Pokud umístíte jeden kladný elektrický náboj do blízkosti jednoho záporného elektrického náboje a pak změříte jejich společnou sílu na jiný, vzdálený náboj, zjistíte, že záporný náboj má tendenci poněkud vyrušit kladný náboj. Takovému objektu se říká elektrický dipól. Elektromagnetická síla způsobená elektrickým dipólem zaniká jako 1/r3, a ne jako 1/r2, protože tento rušivý efekt se projevuje. Podobně pokud vezmete dva kladné elektrické náboje a dva záporné náboje a umístíte je správně blízko sebe, vytvoříte elektrický kvadrupól. Elektromagnetická síla způsobená elektrickým kvadrupólem zaniká ještě rychleji, jako 1/r4, protože záporné náboje tak dobře ruší kladné náboje. Jak ke stejnému počtu záporných nábojů přidáváte další a další kladné náboje, rozsah elektromagnetické síly soustavy se stále zkracuje. Zajímavé je, že většina objektů se skládá z atomů a většina atomů má stejný počet kladných a záporných elektrických nábojů. Proto navzdory skutečnosti, že hrubá elektromagnetická síla jednoho náboje má nekonečný dosah, je efektivní dosah elektromagnetické síly pro typické objekty, jako jsou hvězdy a planety, mnohem kratší. Ve skutečnosti mají neutrální atomy efektivní elektromagnetický dosah v řádu nanometrů. V astronomických měřítkách tak zbývá pouze gravitace. Pokud by existovalo něco jako záporná hmotnost (antihmota má hmotnost kladnou) a pokud by atomy obecně obsahovaly stejné části kladné a záporné hmotnosti, pak by gravitaci postihl stejný osud jako elektromagnetismus a v astronomickém měřítku by neexistovala žádná významná síla. Naštěstí neexistuje záporná hmotnost, a proto je gravitační síla více těles blízko sebe vždy aditivní. Souhrnně řečeno, gravitace je nejslabší ze sil obecně, ale v astronomických měřítkách je dominantní, protože má nejdelší dosah a protože neexistuje záporná hmotnost.
*POZNÁMKA: Ve výše uvedeném popisu jsem použil starší newtonovskou formulaci gravitace. Přesněji gravitaci popisuje formulace obecné relativity, která nám říká, že gravitace není skutečná síla, ale deformace časoprostoru. Na měřítkách menších než skupiny galaxií a mimo superhusté hmoty, jako jsou černé díry, je Newtonova gravitace vynikající aproximací obecné relativity. Pro správné vysvětlení všech efektů je však nutné použít obecnou relativitu. Podle obecné relativity a mnoha experimentálních měření, která ji potvrzují, nemá gravitace nekonečný dosah, ale na měřítku větším než skupiny galaxií mizí. Gravitace má tedy chování 1/r2 a „neomezený“ dosah pouze na měřítku menším než skupiny galaxií. Proto jsem řekl, že gravitace má „efektivně“ nekonečný dosah. Na největších škálách se náš vesmír spíše rozpíná, než aby byl přitahován gravitační přitažlivostí. Toto chování předpovídá obecná relativita. Na měřítkách menších než skupiny galaxií se prostoročas chová převážně jako přitažlivá newtonovská gravitace, zatímco na větších měřítkách se prostoročas chová jako něco úplně jiného, co se rozpíná.
Témata: elektromagnetismus, síla, gravitace, jaderná síla, dosah