Categoria: Espaço Publicado: 22 de Maio de 2013
Atualmente, a gravidade é a mais fraca das quatro forças fundamentais. Ordenada da mais forte para a mais fraca, as forças são 1) a força nuclear forte, 2) a força eletromagnética, 3) a força nuclear fraca, e 4) a gravidade. Se você pegar dois prótons e segurá-los muito juntos, eles irão exercer várias forças um sobre o outro. Como ambos têm massa, os dois prótons exercem atração gravitacional um sobre o outro. Como ambos têm uma carga elétrica positiva, ambos exercem repulsão eletromagnética um sobre o outro. Além disso, ambos têm carga interna de “cor” e assim exercem atração através da forte força nuclear. Como a força nuclear forte é a mais forte a curtas distâncias, ela domina sobre as outras forças e os dois prótons ficam presos, formando um núcleo de hélio (tipicamente um nêutron também é necessário para manter o núcleo de hélio estável). A gravidade é tão fraca na escala atômica que os cientistas podem tipicamente ignorá-la sem incorrer em erros significativos em seus cálculos.
No entanto, em escalas astronômicas, a gravidade domina sobre as outras forças. Há duas razões para isso: 1) a gravidade tem um longo alcance, e 2) não existe tal coisa como massa negativa. Cada força morre à medida que os dois objetos que experimentam a força se tornam mais separados. O ritmo a que as forças morrem é diferente para cada força. As forças nucleares fortes e fracas têm um alcance muito curto, o que significa que fora dos pequenos núcleos de átomos, essas forças rapidamente caem para zero. O tamanho minúsculo dos núcleos dos átomos é um resultado direto do alcance extremamente curto das forças nucleares. Duas partículas que estão separadas por nanómetros estão demasiado distantes uma da outra para exercerem uma força nuclear apreciável uma sobre a outra. Se as forças nucleares são tão fracas para duas partículas separadas apenas por nanômetros, deveria ser óbvio que as forças nucleares são ainda mais insignificantes em escalas astronômicas. Por exemplo, a Terra e o Sol estão muito distantes um do outro (bilhões de metros) para que suas forças nucleares alcancem um ao outro. Em contraste com as forças nucleares, tanto a força eletromagnética quanto a gravidade têm efetivamente um alcance infinito* e morrem em força como 1/r2,
Se tanto o eletromagnetismo quanto a gravidade têm efetivamente um alcance infinito, por que a Terra é mantida em órbita ao redor do Sol pela gravidade e não pela força eletromagnética? A razão é que não existe tal coisa como massa negativa, mas existe tal coisa como carga elétrica negativa. Se você colocar uma única carga elétrica positiva perto de uma única carga elétrica negativa, e depois medir sua força combinada em outra carga distante, você descobre que a carga negativa tende a cancelar um pouco a carga positiva. Tal objeto é chamado de dipolo elétrico. A força eletromagnética causada por um dipolo elétrico morre como 1/r3 e não 1/r2 devido a esse efeito cancelador. Da mesma forma, se você pegar duas cargas elétricas positivas e duas negativas e colocá-las juntas corretamente, você criou um quadrupolo elétrico. A força electromagnética devida a um quadrupolo eléctrico morre ainda mais rapidamente, como 1/r4, porque as cargas negativas fazem um trabalho tão bom de cancelar as cargas positivas. À medida que você adiciona mais e mais cargas positivas a um número igual de cargas negativas, o alcance da força eletromagnética do sistema fica cada vez mais curto. O interessante é que a maioria dos objetos são feitos de átomos, e a maioria dos átomos tem um número igual de cargas elétricas positivas e negativas. Portanto, apesar de a força eletromagnética bruta de uma única carga ter um alcance infinito, o alcance efetivo da força eletromagnética para objetos típicos como estrelas e planetas é muito menor. De facto, os átomos neutros têm um alcance electromagnético eficaz na ordem dos nanómetros. Em escalas astronómicas, isto deixa apenas a gravidade. Se existisse massa negativa (a antimatéria tem massa positiva), e se os átomos geralmente contivessem partes iguais de massa positiva e negativa, então a gravidade sofreria o mesmo destino que o eletromagnetismo e não haveria força significativa na escala astronômica. Felizmente, não há massa negativa e, portanto, a força gravitacional de múltiplos corpos próximos é sempre aditiva. Em resumo, a gravidade é a mais fraca das forças em geral, mas é a dominante na escala astronômica porque tem o maior alcance e porque não há massa negativa.
*NOTE: Na descrição acima, eu usei a formulação Newtoniana mais antiga da gravidade. A gravidade é descrita com mais precisão pela formulação da Relatividade Geral, que nos diz que a gravidade não é uma força real, mas é um empenamento do espaço tempo. Em escalas menores que os grupos de galáxias e longe de massas super-densas como buracos negros, a gravidade newtoniana é uma excelente aproximação à Relatividade Geral. No entanto, para explicar corretamente todos os efeitos, você tem que usar a Relatividade Geral. De acordo com a Relatividade Geral e as muitas medidas experimentais que a confirmam, a gravidade não tem um alcance infinito, mas desaparece na escala maior do que os grupos de galáxias. Portanto, a gravidade só tem comportamento de 1/r2 e alcance “ilimitado” na escala menor do que os grupos de galáxias. É por isso que eu disse que a gravidade tem “efetivamente” um alcance infinito. Nas escalas maiores, o nosso universo está a expandir-se em vez de ser atraído pela atração gravitacional. Este comportamento é previsto pela Relatividade Geral. Em escalas menores que grupos de galáxias, o espaço-tempo age dominantemente como a atrativa gravidade newtoniana, enquanto em escalas maiores, o espaço-tempo age como algo completamente diferente que está se expandindo.
Tópicos: eletromagnetismo, força, gravidade, força nuclear, alcance