Kategoria: Kosmos Opublikowano: Maj 22, 2013
Właściwie grawitacja jest najsłabszą z czterech fundamentalnych sił. Uporządkowane od najsilniejszej do najsłabszej, siły te to: 1) silna siła jądrowa, 2) siła elektromagnetyczna, 3) słaba siła jądrowa i 4) grawitacja. Jeśli weźmiesz dwa protony i przytrzymasz je bardzo blisko siebie, będą one wywierać na siebie kilka sił. Ponieważ oba protony mają masę, przyciągają się wzajemnie grawitacyjnie. Ponieważ oba mają dodatni ładunek elektryczny, wywierają na siebie wzajemnie odpychanie elektromagnetyczne. Ponadto oba mają wewnętrzny ładunek „kolorowy” i dlatego przyciągają się za pomocą silnej siły jądrowej. Ponieważ silna siła jądrowa jest najsilniejsza na małych odległościach, dominuje ona nad innymi siłami i dwa protony zostają związane, tworząc jądro helu (zazwyczaj potrzebny jest również neutron, aby utrzymać jądro helu w stanie stabilnym). Grawitacja jest tak słaba w skali atomowej, że naukowcy mogą ją zazwyczaj ignorować bez popełniania znaczących błędów w swoich obliczeniach.
Jednakże w skalach astronomicznych grawitacja dominuje nad innymi siłami. Dzieje się tak z dwóch powodów: 1) grawitacja ma duży zasięg, oraz 2) nie ma czegoś takiego jak masa ujemna. Każda siła wygasa, gdy dwa obiekty doświadczające jej stają się coraz bardziej od siebie oddalone. Tempo, w jakim siły zanikają, jest różne dla każdej z nich. Silne i słabe siły jądrowe są bardzo krótkodystansowe, co oznacza, że poza maleńkimi jądrami atomów, siły te szybko spadają do zera. Niewielki rozmiar jąder atomów jest bezpośrednim wynikiem ekstremalnie krótkiego zasięgu sił jądrowych. Dwie cząsteczki oddalone od siebie o nanometry są zbyt odległe, aby wywierać na siebie znaczące siły jądrowe. Jeśli siły jądrowe są tak słabe dla dwóch cząstek oddalonych od siebie o zaledwie nanometry, to powinno być oczywiste, że w skali astronomicznej są one jeszcze bardziej znikome. Na przykład, Ziemia i Słońce są zbyt odległe od siebie (miliardy metrów), aby ich siły jądrowe mogły się wzajemnie dosięgnąć. W przeciwieństwie do sił jądrowych, zarówno siła elektromagnetyczna jak i grawitacja mają efektywnie nieskończony zasięg* i giną w sile jako 1/r2.
Jeśli zarówno elektromagnetyzm jak i grawitacja mają efektywnie nieskończony zasięg, dlaczego ziemia jest utrzymywana na orbicie wokół słońca przez grawitację, a nie przez siłę elektromagnetyczną? The powód być że tam być żadny taki rzecz jako ujemny masa, ale tam być taki rzecz jako ujemny ładunek elektryczny. Jeśli umieścimy pojedynczy dodatni ładunek elektryczny w pobliżu pojedynczego ujemnego ładunku elektrycznego, a następnie zmierzymy ich łączną siłę na innym, odległym ładunku, okaże się, że ładunek ujemny ma tendencję do znoszenia ładunku dodatniego. Taki obiekt nazywany jest dipolem elektrycznym. Siła elektromagnetyczna wywołana przez dipol elektryczny zanika jako 1/r3, a nie 1/r2 z powodu tego efektu anulowania. Podobnie, jeśli weźmiemy dwa dodatnie ładunki elektryczne i dwa ujemne i umieścimy je odpowiednio blisko siebie, to otrzymamy kwadrupol elektryczny. Siła elektromagnetyczna związana z kwadrupolem elektrycznym zanika jeszcze szybciej, jako 1/r4, ponieważ ładunki ujemne tak dobrze znoszą ładunki dodatnie. W miarę jak dodajemy coraz więcej ładunków dodatnich do równej liczby ładunków ujemnych, zasięg siły elektromagnetycznej układu staje się coraz krótszy. Interesującą rzeczą jest to, że większość obiektów składa się z atomów, a większość atomów ma równą liczbę dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych. Dlatego, pomimo tego, że surowa siła elektromagnetyczna pojedynczego ładunku ma nieskończony zasięg, efektywny zasięg siły elektromagnetycznej dla typowych obiektów, takich jak gwiazdy i planety, jest znacznie krótszy. W rzeczywistości, neutralne atomy mają efektywny zasięg elektromagnetyczny rzędu nanometrów. W skalach astronomicznych pozostaje tylko grawitacja. Gdyby istniało coś takiego jak masa ujemna (antymateria ma masę dodatnią) i gdyby atomy generalnie zawierały równe części masy dodatniej i ujemnej, to grawitację spotkałby ten sam los co elektromagnetyzm i nie istniałaby żadna znacząca siła w skali astronomicznej. Na szczęście nie istnieje masa ujemna, a zatem siła grawitacji wielu ciał znajdujących się blisko siebie jest zawsze addytywna. Podsumowując, grawitacja jest najsłabszą z sił w ogóle, ale jest dominującą w skalach astronomicznych, ponieważ ma najdłuższy zasięg i ponieważ nie ma ujemnej masy.
*UWAGA: W powyższym opisie użyłem starszego newtonowskiego sformułowania grawitacji. Grawitacja jest dokładniej opisana przez sformułowanie Ogólnej teorii względności, która mówi nam, że grawitacja nie jest prawdziwą siłą, ale jest odkształceniem czasoprzestrzeni. W skalach mniejszych niż grupy galaktyk i z dala od super-gęstych mas, takich jak czarne dziury, grawitacja newtonowska jest doskonałym przybliżeniem ogólnej teorii względności. Jednak, aby właściwie wyjaśnić wszystkie efekty, trzeba posłużyć się Ogólną Teorią Względności. Zgodnie z Ogólną Teorią Względności i wieloma eksperymentalnymi pomiarami, które ją potwierdzają, grawitacja nie ma nieskończonego zasięgu, ale zanika w skali większej niż grupy galaktyk. Dlatego grawitacja ma tylko zachowanie 1/r2 i „nieograniczony” zasięg w skali mniejszej niż grupy galaktyk. Dlatego właśnie powiedziałem, że grawitacja ma „efektywnie” nieskończony zasięg. W największych skalach nasz wszechświat raczej się rozszerza, niż jest przyciągany przez grawitacyjne przyciąganie. Takie zachowanie jest przewidywane przez Ogólną Teorię Względności. W skalach mniejszych niż grupy galaktyk, czasoprzestrzeń zachowuje się dominująco jak przyciągająca grawitacja newtonowska, podczas gdy w większych skalach czasoprzestrzeń zachowuje się jak coś zupełnie innego, co się rozszerza.
Tematy: elektromagnetyzm, siła, grawitacja, siła jądrowa, zasięg
.