Kategori: Kategori: Rummet Udgivet: Kategori: Rummet:
Tyngdekraften er faktisk den svageste af de fire fundamentale kræfter. I rækkefølge fra stærkest til svagest er kræfterne 1) den stærke kernekraft, 2) den elektromagnetiske kraft, 3) den svage kernekraft og 4) tyngdekraften. Hvis man tager to protoner og holder dem meget tæt sammen, vil de udøve flere kræfter på hinanden. Fordi de begge har masse, udøver de to protoner tyngdekraften tiltrækning på hinanden. Fordi de begge har en positiv elektrisk ladning, udøver de begge elektromagnetisk frastødning på hinanden. Desuden har de begge en intern “farveladning” og udøver derfor tiltrækning via den stærke kernekraft. Fordi den stærke kernekraft er den stærkeste på korte afstande, dominerer den over de andre kræfter, og de to protoner bliver bundet og danner en heliumkerne (typisk er der også brug for en neutron for at holde heliumkernen stabil). Tyngdekraften er så svag på atomskalaen, at forskerne typisk kan ignorere den uden at pådrage sig væsentlige fejl i deres beregninger.
På astronomiske skalaer dominerer tyngdekraften imidlertid over de andre kræfter. Det er der to grunde til: 1) tyngdekraften har en lang rækkevidde, og 2) der findes ikke noget, der hedder negativ masse. Hver kraft dør ud, efterhånden som de to objekter, der oplever kraften, bliver mere adskilt fra hinanden. Den hastighed, hvormed kræfterne dør ud, er forskellig for hver enkelt kraft. Den stærke og svage kernekraft har en meget kort rækkevidde, hvilket betyder, at uden for de små atomkerner falder disse kræfter hurtigt til nul. Atomkernernes lille størrelse er et direkte resultat af atomkernes ekstremt korte rækkevidde. To partikler, der er nanometer fra hinanden, er alt for langt væk fra hinanden til at udøve en nævneværdig kernekraft på hinanden. Hvis kernekræfterne er så svage for to partikler, der kun er nanometer fra hinanden, burde det være indlysende, at kernekræfterne er endnu mere ubetydelige på astronomiske skalaer. Jorden og solen er f.eks. alt for langt fra hinanden (milliarder af meter) til, at deres kernekræfter kan nå hinanden. I modsætning til atomkræfterne har både den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften faktisk uendelig rækkevidde* og aftager i styrke som 1/r2.
Hvis både elektromagnetisme og tyngdekraften har faktisk uendelig rækkevidde, hvorfor holdes jorden så i kredsløb om solen af tyngdekraften og ikke af den elektromagnetiske kraft? Årsagen er, at der ikke findes noget som negativ masse, men der findes noget som negativ elektrisk ladning. Hvis man placerer en enkelt positiv elektrisk ladning i nærheden af en enkelt negativ elektrisk ladning og derefter måler deres kombinerede kraft på en anden, fjerntliggende ladning, finder man ud af, at den negative ladning har en tendens til at ophæve den positive ladning en smule. Et sådant objekt kaldes en elektrisk dipol. Den elektromagnetiske kraft forårsaget af en elektrisk dipol aftager som 1/r3 og ikke 1/r2 på grund af denne ophævende effekt. Hvis man på samme måde tager to positive elektriske ladninger og to negative ladninger og placerer dem tæt på hinanden, har man skabt en elektrisk kvadrupol. Den elektromagnetiske kraft, der skyldes en elektrisk kvadrupol, aftager endnu hurtigere, nemlig med 1/r4, fordi de negative ladninger er så gode til at ophæve de positive ladninger. Efterhånden som man tilføjer flere og flere positive ladninger til lige så mange negative ladninger, bliver rækkevidden af systemets elektromagnetiske kraft kortere og kortere. Det interessante er, at de fleste genstande består af atomer, og at de fleste atomer har lige mange positive og negative elektriske ladninger. På trods af at den rå elektromagnetiske kraft fra en enkelt ladning har en uendelig rækkevidde, er den elektromagnetiske krafts effektive rækkevidde for typiske objekter som f.eks. stjerner og planeter derfor meget kortere. Faktisk har neutrale atomer en effektiv elektromagnetisk rækkevidde i størrelsesordenen nanometer. På astronomiske skalaer er der således kun tyngdekraften tilbage. Hvis der fandtes en negativ masse (antimaterie har positiv masse), og hvis atomer generelt indeholdt lige store dele positiv og negativ masse, ville tyngdekraften lide samme skæbne som elektromagnetismen, og der ville ikke være nogen betydelig kraft på astronomisk skala. Heldigvis findes der ingen negativ masse, og derfor er gravitationskraften fra flere tæt på hinanden liggende legemer altid additiv. Sammenfattende er tyngdekraften den svageste af kræfterne generelt, men den er den dominerende på astronomisk skala, fordi den har den længste rækkevidde, og fordi der ikke er nogen negativ masse.
*BEMÆRK: I ovenstående beskrivelse har jeg brugt den ældre newtonske formulering af tyngdekraften. Tyngdekraften beskrives mere præcist med den generelle relativitetsformulering, som fortæller os, at tyngdekraften ikke er en reel kraft, men er en forvrængning af rumtiden. På skalaer, der er mindre end galaksegrupper og væk fra supertætte masser som sorte huller, er newtonsk tyngdekraft en fremragende tilnærmelse til den generelle relativitetsteori. Men for at kunne forklare alle virkninger korrekt, er man nødt til at bruge den generelle relativitetsteori. Ifølge den generelle relativitetsteori og de mange eksperimentelle målinger, der bekræfter den, har tyngdekraften ikke uendelig rækkevidde, men forsvinder på skalaer, der er større end galaksegrupper. Derfor har tyngdekraften kun en 1/r2-adfærd og en “ubegrænset” rækkevidde på skalaen mindre end galaksegrupper. Det er derfor, jeg sagde, at tyngdekraften har “faktisk” uendelig rækkevidde. På de største skalaer udvider vores univers sig snarere end at blive trukket sammen af gravitationens tiltrækning. Denne adfærd er forudsagt af den generelle relativitetsteori. På skalaer, der er mindre end galaksegrupper, opfører rumtiden sig dominerende som tiltrækkende newtonsk tyngdekraft, mens rumtiden på større skalaer opfører sig som noget helt andet, der ekspanderer.
Temaer: elektromagnetisme, kraft, tyngdekraft, atomkraft, rækkevidde