Kategoria: Kategoria: Avaruus Julkaistu: May 22, 2013
Painovoima on itse asiassa heikoin neljästä perusvoimasta. Järjestyksessä vahvimmasta heikoimpaan voimat ovat 1) vahva ydinvoima, 2) sähkömagneettinen voima, 3) heikko ydinvoima ja 4) painovoima. Jos otat kaksi protonia ja pidät ne hyvin lähellä toisiaan, ne kohdistavat toisiinsa useita voimia. Koska molemmilla on massa, kaksi protonia harjoittavat toisiinsa vetovoimaa. Koska molemmilla on positiivinen sähkövaraus, ne kohdistavat toisiinsa sähkömagneettista repulsiota. Lisäksi niillä molemmilla on sisäinen ”väri”-varaus, joten ne harjoittavat vetovoimaa vahvan ydinvoiman avulla. Koska vahva ydinvoima on voimakkain lyhyillä etäisyyksillä, se hallitsee muita voimia, ja kaksi protonia sitoutuvat toisiinsa muodostaen heliumytimen (yleensä tarvitaan myös neutroni pitämään heliumydin vakaana). Gravitaatio on atomimittakaavassa niin heikko, että tutkijat voivat yleensä jättää sen huomiotta ilman, että heidän laskelmiinsa tulee merkittäviä virheitä.
Tähtitieteellisessä mittakaavassa gravitaatio kuitenkin hallitsee muita voimia. Tähän on kaksi syytä: 1) gravitaatiolla on pitkä kantama, ja 2) negatiivista massaa ei ole olemassa. Kukin voima häviää, kun kaksi voimaa kokevaa kohdetta etääntyvät toisistaan. Voimien häviämisnopeus on jokaisella voimalla erilainen. Vahva ja heikko ydinvoima ovat hyvin lyhyen kantaman voimia, mikä tarkoittaa, että atomien pienten ytimien ulkopuolella nämä voimat laskevat nopeasti nollaan. Atomien ytimien pieni koko on suora seuraus ydinvoimien äärimmäisen lyhyestä kantamasta. Kaksi hiukkasta, jotka ovat nanometrien päässä toisistaan, ovat aivan liian kaukana toisistaan, jotta ne voisivat käyttää toisiinsa tuntuvaa ydinvoimaa. Jos ydinvoimat ovat niin heikkoja kahdelle vain nanometrien etäisyydellä toisistaan olevalle hiukkaselle, pitäisi olla selvää, että ydinvoimat ovat vielä vähäpätöisempiä tähtitieteellisessä mittakaavassa. Esimerkiksi Maa ja Aurinko ovat aivan liian kaukana toisistaan (miljardeja metrejä), jotta niiden ydinvoimat yltäisivät toisiinsa. Toisin kuin ydinvoimilla, sekä sähkömagneettisella voimalla että painovoimalla on käytännössä ääretön kantama* ja niiden voimakkuus hiipuu, kun 1/r2.
Jos sekä sähkömagnetismilla että painovoimalla on käytännössä ääretön kantama, miksi painovoima pitää maapallon Auringon kiertoradalla eikä sähkömagneettinen voima? Syynä on se, että negatiivista massaa ei ole olemassa, mutta negatiivinen sähkövaraus on olemassa. Jos sijoitetaan yksi positiivinen sähkövaraus yhden negatiivisen sähkövarauksen lähelle ja mitataan sitten niiden yhteenlaskettu voima toiseen, kaukana olevaan varaukseen, havaitaan, että negatiivinen varaus pyrkii kumoamaan positiivisen varauksen jonkin verran. Tällaista kohdetta kutsutaan sähköiseksi dipoliksi. Sähköisen dipolin aiheuttama sähkömagneettinen voima häviää 1/r3 eikä 1/r2 tämän kumoavan vaikutuksen vuoksi. Vastaavasti, jos otetaan kaksi positiivista sähkövarausta ja kaksi negatiivista varausta ja sijoitetaan ne kunnolla lähelle toisiaan, syntyy sähköinen nelipoli. Sähköisen nelipolin aiheuttama sähkömagneettinen voima häviää vielä nopeammin, 1/r4, koska negatiiviset varaukset kumoavat positiiviset varaukset niin hyvin. Kun lisätään yhä enemmän positiivisia varauksia yhtä suureen määrään negatiivisia varauksia, systeemin sähkömagneettisen voiman kantama lyhenee ja lyhenee. Mielenkiintoista on, että useimmat esineet koostuvat atomeista, ja useimmissa atomeissa on yhtä monta positiivista ja negatiivista sähkövarausta. Näin ollen huolimatta siitä, että yksittäisen varauksen raa’alla sähkömagneettisella voimalla on ääretön kantama, tyypillisten kohteiden, kuten tähtien ja planeettojen, sähkömagneettisen voiman todellinen kantama on paljon lyhyempi. Itse asiassa neutraalien atomien tehokas sähkömagneettinen kantama on nanometrin luokkaa. Tähtitieteellisessä mittakaavassa jäljelle jää vain painovoima. Jos olisi olemassa negatiivinen massa (antiaineella on positiivinen massa) ja jos atomeissa olisi yleensä yhtä paljon positiivista ja negatiivista massaa, painovoima kokisi saman kohtalon kuin sähkömagnetismi, eikä tähtitieteellisessä mittakaavassa olisi merkittävää voimaa. Onneksi negatiivista massaa ei ole, ja siksi useiden lähellä toisiaan olevien kappaleiden gravitaatiovoima on aina additiivinen. Yhteenvetona voidaan todeta, että painovoima on yleisesti ottaen heikoin voimista, mutta se on hallitseva voima tähtitieteellisessä mittakaavassa, koska sillä on pisin kantama ja koska negatiivista massaa ei ole.
*Huomautus: Yllä olevassa kuvauksessa olen käyttänyt painovoiman vanhempaa newtonilaista muotoilua. Gravitaatiota kuvaa tarkemmin yleisen suhteellisuusteorian muotoilu, joka kertoo, että gravitaatio ei ole todellinen voima vaan avaruusajan vääristymä. Galaksiryhmiä pienemmissä mittakaavoissa ja kaukana mustien aukkojen kaltaisista erittäin tiheistä massoista Newtonin painovoima on erinomainen approksimaatio yleiseen suhteellisuusteoriaan. Kaikkien vaikutusten asianmukainen selittäminen edellyttää kuitenkin yleisen suhteellisuusteorian käyttöä. Yleisen suhteellisuusteorian ja sitä vahvistavien monien kokeellisten mittausten mukaan gravitaatiolla ei ole ääretöntä ulottuvuutta, vaan se häviää galaksiryhmiä suuremmissa mittakaavoissa. Siksi gravitaatiolla on vain 1/r2-käyttäytyminen ja ”rajaton” kantama galaksiryhmiä pienemmässä mittakaavassa. Siksi sanoin, että gravitaatiolla on ”käytännössä” ääretön kantama. Suurimmissa mittakaavoissa maailmankaikkeutemme laajenee sen sijaan, että gravitaatiovetovoima vetäisi sen yhteen. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa tämän käyttäytymisen. Galaksiryhmiä pienemmillä mittakaavoilla avaruusaika käyttäytyy hallitsevasti vetovoimaisen newtonilaisen gravitaation tavoin, kun taas suuremmilla mittakaavoilla avaruusaika käyttäytyy jollakin aivan muulla tavalla, joka laajenee.
Teemat: sähkömagnetismi, voima, gravitaatio, ydinvoima, kantama