なぜ重力は最も強い力なのか？

実は、重力は4つの基本的な力の中で最も弱い力なのです。 強い順に並べると、1）強い核力、2）電磁気力、3）弱い核力、4）重力となります。 2つの陽子を近づけると、互いにいくつかの力を及ぼし合います。 2つの陽子はともに質量を持っているので、互いに引力を及ぼし合います。 2つの陽子はともに正の電荷を持っているので、互いに電磁気的な反発を及ぼします。 また、2つとも内部に「色」の電荷を持っているので、強い核力によって引力を発揮する。 強い核力は近距離で最も強いので、他の力より優位に立ち、2つの陽子は結合してヘリウム原子核を形成する（通常、ヘリウム原子核の安定性を保つために中性子も必要である）。 重力は原子スケールでは非常に弱いので、科学者は通常、計算に大きな誤差を生じさせることなく、それを無視することができる。 これには2つの理由がある。 1）重力は長い距離を持つ、2）負の質量というものが存在しない。 それぞれの力は、その力を受けている2つの物体が離れていくにつれて消えていく。 力が消滅する速度は、それぞれの力によって異なる。 強い核力と弱い核力は非常に短距離で、原子の小さな原子核の外では、これらの力はすぐにゼロになる。 原子核の大きさが小さいのは、核力が極めて短い範囲にあることが直接の原因です。 ナノメートルの距離にある2つの粒子は、互いに相当な核力を発揮するにはあまりにも遠すぎるのだ。 もし、ナノメートルの距離にある2つの粒子に対して核力がそれほど弱いのであれば、天文学的なスケールでは、核力はさらに無視できるほど小さいことは明らかだろう。 例えば、地球と太陽は数十億メートルも離れているため、互いの核力は届きません。 核力とは対照的に、電磁気力も重力も事実上無限大の範囲*を持ち、1/r2として強さが死んでいく。

電磁気力も重力も事実上無限大の範囲を持っているなら、なぜ地球は電磁気力ではなく、重力によって太陽の周りを公転しているのだろう。 その理由は、負の質量というものは存在しないが、負の電荷というものは存在するからである。 負の電荷の近くに正の電荷を1個置き、その力を合わせて離れた電荷に作用する力を測定すると、負の電荷が正の電荷を多少打ち消す傾向があることがわかります。 このような物体を電気双極子と呼びます。 電気双極子による電磁力は、この打ち消し効果により、1/r2ではなく、1/r3として消滅します。 同様に、正の電荷と負の電荷を2つずつ取って適当に近づけると、電気四重極ができます。 電気四重極による電磁力は、負電荷が正電荷をうまく打ち消すので、1/r4とさらに急速に消滅します。 同数の負電荷に正電荷をどんどん加えていくと、系の電磁力の範囲はどんどん狭くなっていきます。 面白いのは、ほとんどの物体は原子でできていて、ほとんどの原子はプラスとマイナスの電荷が同数であることです。 したがって、1つの電荷の生の電磁力は無限大の範囲を持っているにもかかわらず、星や惑星などの典型的な物体の電磁力の有効範囲はもっと短いのです。 実際、中性原子の電磁波の有効範囲はナノメートルオーダーである。 天文学的なスケールで考えると、あとは重力しかない。 もし負の質量（反物質は正の質量）が存在し、原子が正の質量と負の質量を等しく持っているとしたら、重力は電磁気学と同じ運命をたどり、天文学的なスケールでは大きな力は存在しないことになる。 幸いなことに、負の質量は存在しないので、複数の物体が接近したときの重力は常に相加的である。 まとめると、重力は一般に力の中で最も弱いが、天文スケールでは最も範囲が広く、負の質量がないので支配的である。

*注：上記の説明では、重力について古いニュートン定式を使用しました。 重力は実際の力ではなく、時空のゆがみであるとする一般相対性理論の定式化によって、より正確に記述される。 銀河系よりも小さなスケールで、ブラックホールなどの超高密度の質量から離れたところでは、ニュートン重力は一般相対性理論の優れた近似式となる。 しかし、すべての効果を正しく説明するためには、一般相対性理論を使わなければならない。 一般相対性理論とそれを裏付ける多くの実験的測定によると、重力は無限の範囲を持たず、銀河群よりも大きなスケールで消えていく。 したがって、重力は1/r2の振る舞いをし、銀河系より小さいスケールでは「無制限」の範囲を持つに過ぎない。 だから、重力は「事実上」無限大の範囲を持っていると言ったのです。 最も大きなスケールでは、宇宙は重力によって引き寄せられるのではなく、むしろ膨張している。 この挙動は一般相対性理論で予言されている。 銀河群よりも小さなスケールでは、時空は圧倒的に魅力的なニュートン重力のように作用し、大きなスケールでは、時空は膨張しているまったく別のもののように作用する」

Topic: 電磁気学、力、重力、核力、範囲