Kategória: Kategória: Űr Kategória: Űrvilág Kiadvány: May 22, 2013
A gravitáció valójában a leggyengébb a négy alapvető erő közül. Az erők a legerősebbtől a leggyengébb felé haladva a következők: 1) az erős magerő, 2) az elektromágneses erő, 3) a gyenge magerő és 4) a gravitáció. Ha veszünk két protont, és nagyon közel tartjuk őket egymáshoz, akkor többféle erőt is kifejtenek egymásra. Mivel mindkettőnek van tömege, a két proton gravitációs vonzást gyakorol egymásra. Mivel mindkettőnek pozitív elektromos töltése van, elektromágneses taszítást gyakorolnak egymásra. Emellett mindkettőnek van belső “színes” töltése, és így az erős magerő révén vonzást gyakorolnak. Mivel az erős magerő rövid távolságokon a legerősebb, dominál a többi erő felett, és a két proton összekapcsolódik, héliummagot alkotva (jellemzően egy neutronra is szükség van ahhoz, hogy a héliummag stabil maradjon). A gravitáció atomi léptékben olyan gyenge, hogy a tudósok általában figyelmen kívül hagyhatják anélkül, hogy számításaikban jelentős hibákat okoznának.
A csillagászati léptékben azonban a gravitáció valóban dominál a többi erővel szemben. Ennek két oka van: 1) a gravitációnak nagy a hatótávolsága, és 2) nincs olyan, hogy negatív tömeg. Minden erő elhalványul, ahogy az erőt tapasztaló két objektum egyre távolabb kerül egymástól. Az erők elhalványulásának sebessége minden erő esetében más és más. Az erős és a gyenge magerő nagyon rövid hatótávolságú, ami azt jelenti, hogy az atomok apró magjain kívül ezek az erők gyorsan nullára csökkennek. Az atommagok apró mérete egyenes következménye a magerők rendkívül rövid hatótávolságának. Két, egymástól nanométerekre lévő részecske túlságosan távol van egymástól ahhoz, hogy számottevő nukleáris erőt fejtsenek ki egymásra. Ha a nukleáris erők ilyen gyengék két, egymástól csak nanométerekre lévő részecske esetében, akkor nyilvánvalónak kellene lennie, hogy a nukleáris erők csillagászati léptékben még elhanyagolhatóbbak. A Föld és a Nap például túlságosan messze van egymástól (több milliárd méterre) ahhoz, hogy nukleáris erejük elérje egymást. A nukleáris erőkkel ellentétben mind az elektromágneses erőnek, mind a gravitációnak gyakorlatilag végtelen a hatótávolsága*, és erejük 1/r2-vel csökken.
Ha mind az elektromágnesességnek, mind a gravitációnak gyakorlatilag végtelen a hatótávolsága, akkor miért a gravitáció tartja a Földet a Nap körüli pályán, és nem az elektromágneses erő? Ennek az az oka, hogy nincs olyan, hogy negatív tömeg, de van olyan, hogy negatív elektromos töltés. Ha egyetlen pozitív elektromos töltést egyetlen negatív elektromos töltés közelébe helyezünk, majd megmérjük a kettő együttes erejét egy másik, távoli töltésre, azt találjuk, hogy a negatív töltés hajlamos némileg kioltani a pozitív töltést. Az ilyen tárgyat elektromos dipólusnak nevezzük. Az elektromos dipólus által okozott elektromágneses erő 1/r3-mal és nem 1/r2-vel szűnik meg, mert ez a kioltó hatás miatt. Hasonlóképpen, ha veszünk két pozitív és két negatív elektromos töltést, és azokat megfelelően közel egymáshoz helyezzük, akkor egy elektromos négypólust hozunk létre. Az elektromos négypólus okozta elektromágneses erő még gyorsabban, 1/r4-ként szűnik meg, mert a negatív töltések olyan jól kioltják a pozitív töltéseket. Ahogy egyre több pozitív töltést adunk hozzá ugyanannyi negatív töltéshez, a rendszer elektromágneses erejének hatótávolsága egyre rövidebb lesz. Az érdekes dolog az, hogy a legtöbb tárgyat atomok alkotják, és a legtöbb atomnak egyenlő számú pozitív és negatív elektromos töltése van. Ezért annak ellenére, hogy egyetlen töltés nyers elektromágneses ereje végtelen hatótávolsággal rendelkezik, az elektromágneses erő effektív hatótávolsága tipikus objektumok, például csillagok és bolygók esetében sokkal rövidebb. Valójában a semleges atomok effektív elektromágneses hatótávolsága nanométeres nagyságrendű. Csillagászati léptékben így csak a gravitáció marad. Ha létezne negatív tömeg (az antianyagnak pozitív tömege van), és ha az atomok általában egyenlő arányban tartalmaznának pozitív és negatív tömeget, akkor a gravitáció ugyanarra a sorsra jutna, mint az elektromágnesesség, és csillagászati léptékben nem létezne jelentős erő. Szerencsére nincs negatív tömeg, és ezért több egymáshoz közeli test gravitációs ereje mindig additív. Összefoglalva, a gravitáció általánosságban a leggyengébb erő, de csillagászati léptékben ez a domináns erő, mert ennek van a legnagyobb hatótávolsága, és mert nincs negatív tömeg.
*MEGJEGYZÉS: A fenti leírásban a gravitáció régebbi, newtoni megfogalmazását használtam. A gravitációt pontosabban írja le az általános relativitáselmélet megfogalmazása, amely szerint a gravitáció nem valódi erő, hanem a téridő torzulása. A galaxiscsoportoknál kisebb léptékeken és az olyan szupersűrű tömegektől távol, mint a fekete lyukak, a newtoni gravitáció kiváló közelítése az Általános relativitáselméletnek. Ahhoz azonban, hogy minden hatást megfelelően megmagyarázzunk, az Általános Relativitáselméletet kell használnunk. Az Általános relativitáselmélet és az azt megerősítő számos kísérleti mérés szerint a gravitációnak nincs végtelen hatósugara, hanem a galaxiscsoportoknál nagyobb skálán eltűnik. Ezért a gravitációnak csak 1/r2 viselkedése és “korlátlan” hatótávolsága van a galaxiscsoportoknál kisebb skálán. Ezért mondtam, hogy a gravitációnak “gyakorlatilag” végtelen hatótávolsága van. A legnagyobb léptékeken a világegyetemünk tágul, ahelyett, hogy a gravitációs vonzás összehúzná. Ezt a viselkedést az általános relativitáselmélet megjósolja. A galaxiscsoportoknál kisebb léptékeken a téridő dominánsan úgy viselkedik, mint a vonzó newtoni gravitáció, míg a nagyobb léptékeken a téridő valami egészen másként viselkedik, ami tágul.
Témák: elektromágnesesség, erő, gravitáció, magerő, hatótávolság