Categorie: Ruimte Gepubliceerd: 22 mei 2013
In werkelijkheid is de zwaartekracht de zwakste van de vier fundamentele krachten. Gerangschikt van sterkste naar zwakste, zijn de krachten 1) de sterke kernkracht, 2) de elektromagnetische kracht, 3) de zwakke kernkracht, en 4) de zwaartekracht. Als je twee protonen neemt en ze heel dicht bij elkaar houdt, zullen ze verschillende krachten op elkaar uitoefenen. Omdat ze allebei massa hebben, oefenen de twee protonen aantrekkingskracht op elkaar uit. Omdat ze allebei een positieve elektrische lading hebben, oefenen ze allebei een elektromagnetische afstoting op elkaar uit. Ook hebben ze beide een inwendige “kleur “lading en oefenen ze dus aantrekkingskracht uit via de sterke kernkracht. Omdat de sterke kernkracht het sterkst is op korte afstanden, overheerst deze de andere krachten en worden de twee protonen aan elkaar gebonden, waardoor een heliumkern ontstaat (meestal is er ook een neutron nodig om de heliumkern stabiel te houden). Op atomaire schaal is de zwaartekracht zo zwak dat wetenschappers haar meestal kunnen negeren zonder grote fouten in hun berekeningen te maken.
Op astronomische schaal overheerst de zwaartekracht echter wel over de andere krachten. Daar zijn twee redenen voor: 1) de zwaartekracht heeft een groot bereik, en 2) er bestaat niet zoiets als negatieve massa. Elke kracht sterft af naarmate de twee objecten die de kracht ondervinden verder van elkaar verwijderd raken. De snelheid waarmee de krachten afsterven is voor elke kracht verschillend. De sterke en zwakke kernkrachten hebben een zeer korte reikwijdte, wat betekent dat buiten de minuscule atoomkernen deze krachten snel tot nul afnemen. De geringe omvang van de atoomkernen is een direct gevolg van het extreem korte bereik van de kernkrachten. Twee deeltjes die nanometers van elkaar verwijderd zijn, zijn veel te ver van elkaar verwijderd om een merkbare kernkracht op elkaar uit te oefenen. Als de kernkrachten zo zwak zijn voor twee deeltjes die slechts nanometers van elkaar verwijderd zijn, dan zou het duidelijk moeten zijn dat de kernkrachten op astronomische schalen nog veel verwaarloosbaarder zijn. Zo zijn de aarde en de zon veel te ver van elkaar verwijderd (miljarden meters) om hun kernkrachten elkaar te laten bereiken. In tegenstelling tot de kernkrachten hebben zowel de elektromagnetische kracht als de zwaartekracht een feitelijk oneindig bereik* en nemen ze in kracht af als 1/r2.
Als zowel elektromagnetisme als zwaartekracht een feitelijk oneindig bereik hebben, waarom wordt de aarde dan door de zwaartekracht in een baan om de zon gehouden en niet door de elektromagnetische kracht? De reden is dat er niet zoiets bestaat als negatieve massa, maar wel zoiets als negatieve elektrische lading. Als je een enkele positieve elektrische lading in de buurt van een enkele negatieve elektrische lading plaatst, en dan hun gecombineerde kracht meet op een andere, verder weg gelegen lading, dan ontdek je dat de negatieve lading de neiging heeft de positieve lading enigszins op te heffen. Zo’n object wordt een elektrische dipool genoemd. De elektromagnetische kracht veroorzaakt door een elektrische dipool sterft af als 1/r3 en niet 1/r2 vanwege dit opheffingseffect. Op dezelfde manier, als je twee positieve elektrische ladingen en twee negatieve ladingen neemt en ze op de juiste manier dicht bij elkaar plaatst, heb je een elektrische quadrupool gecreëerd. De elektromagnetische kracht als gevolg van een elektrische quadrupool sterft nog sneller af, als 1/r4, omdat de negatieve ladingen de positieve ladingen zo goed opheffen. Naarmate je meer en meer positieve ladingen toevoegt aan een gelijk aantal negatieve ladingen, wordt het bereik van de elektromagnetische kracht van het systeem korter en korter. Het interessante is dat de meeste voorwerpen zijn opgebouwd uit atomen, en de meeste atomen hebben een gelijk aantal positieve en negatieve elektrische ladingen. Daarom is, ondanks het feit dat de ruwe elektromagnetische kracht van een enkele lading een oneindig bereik heeft, het effectieve bereik van de elektromagnetische kracht voor typische voorwerpen zoals sterren en planeten veel korter. In feite hebben neutrale atomen een effectief elektromagnetisch bereik in de orde van grootte van nanometers. Op astronomische schaal blijft dan alleen de zwaartekracht over. Als er zoiets als negatieve massa zou bestaan (antimaterie heeft positieve massa), en als atomen over het algemeen gelijke delen positieve en negatieve massa zouden bevatten, dan zou de zwaartekracht hetzelfde lot ondergaan als het elektromagnetisme en zou er geen significante kracht op astronomische schaal zijn. Gelukkig is er geen negatieve massa, en daarom is de zwaartekracht van meerdere lichamen dicht bij elkaar altijd additief. Samenvattend is de zwaartekracht de zwakste van de krachten in het algemeen, maar op astronomische schaal is het de dominante kracht omdat het de grootste reikwijdte heeft en omdat er geen negatieve massa is.
*NOOT: In de bovenstaande beschrijving heb ik de oudere Newtoniaanse formulering van de zwaartekracht gebruikt. De zwaartekracht wordt nauwkeuriger beschreven door de formulering van de Algemene Relativiteit, die ons vertelt dat zwaartekracht geen echte kracht is maar een kromming van de ruimtetijd. Op schalen kleiner dan groepen melkwegstelsels en weg van superdichte massa’s zoals zwarte gaten, is de Newtoniaanse zwaartekracht een uitstekende benadering van de Algemene Relativiteit. Echter, om alle effecten goed te kunnen verklaren, moet je de Algemene Relativiteit gebruiken. Volgens de Algemene Relativiteit en de vele experimentele metingen die dat bevestigen, heeft de zwaartekracht geen oneindig bereik maar gaat weg op de schaal groter dan melkweggroepen. Daarom heeft de zwaartekracht alleen 1/r2 gedrag en “onbeperkt” bereik op de schaal kleiner dan melkweg groepen. Daarom zei ik dat de zwaartekracht “effectief” een oneindig bereik heeft. Op de grootste schalen dijt ons heelal uit in plaats van dat het door zwaartekracht wordt samengetrokken. Dit gedrag wordt voorspeld door de Algemene Relativiteit. Op schalen kleiner dan melkweggroepen gedraagt de ruimtetijd zich dominant als de aantrekkelijke Newtoniaanse zwaartekracht, terwijl op grotere schalen de ruimtetijd zich gedraagt als iets heel anders dat uitdijt.
Onderwerpen: elektromagnetisme, kracht, zwaartekracht, kernkracht, bereik