Categoria: Spațiu Publicată: Spațiu: 22 mai 2013
De fapt, gravitația este cea mai slabă dintre cele patru forțe fundamentale. Ordonate de la cea mai puternică la cea mai slabă, aceste forțe sunt: 1) forța nucleară puternică, 2) forța electromagnetică, 3) forța nucleară slabă și 4) gravitația. Dacă luați doi protoni și îi țineți foarte aproape unul de celălalt, aceștia vor exercita mai multe forțe unul asupra celuilalt. Deoarece amândoi au masă, cei doi protoni exercită atracție gravitațională unul asupra celuilalt. Deoarece amândoi au o sarcină electrică pozitivă, amândoi exercită o repulsie electromagnetică unul asupra celuilalt. De asemenea, ambii au sarcină internă de „culoare” și astfel exercită atracție prin intermediul forței nucleare puternice. Deoarece forța nucleară puternică este cea mai puternică la distanțe scurte, aceasta domină asupra celorlalte forțe și cei doi protoni se leagă, formând un nucleu de heliu (de obicei, este necesar și un neutron pentru a menține stabil nucleul de heliu). Gravitația este atât de slabă la scară atomică, încât oamenii de știință o pot ignora de obicei fără a se confrunta cu erori semnificative în calculele lor.
Cu toate acestea, la scară astronomică, gravitația domină asupra celorlalte forțe. Există două motive pentru acest lucru: 1) gravitația are o rază lungă de acțiune și 2) nu există o masă negativă. Fiecare forță se stinge pe măsură ce cele două obiecte care se confruntă cu forța devin mai separate. Viteza cu care forțele se sting este diferită pentru fiecare forță. Forțele nucleare puternice și slabe au o rază de acțiune foarte scurtă, ceea ce înseamnă că, în afara micilor nuclee ale atomilor, aceste forțe scad rapid la zero. Dimensiunea minusculă a nucleelor atomilor este un rezultat direct al distanței extrem de scurte a forțelor nucleare. Două particule aflate la o distanță de un nanometru sunt mult prea îndepărtate una de cealaltă pentru a exercita o forță nucleară apreciabilă una asupra celeilalte. Dacă forțele nucleare sunt atât de slabe pentru două particule aflate la o distanță de numai un nanometru, ar trebui să fie evident că forțele nucleare sunt și mai neglijabile la scări astronomice. De exemplu, Pământul și Soarele sunt mult prea departe unul de celălalt (miliarde de metri) pentru ca forțele lor nucleare să se atingă reciproc. Spre deosebire de forțele nucleare, atât forța electromagnetică, cât și gravitația au o rază de acțiune efectiv infinită* și scad în intensitate cu 1/r2.
Dacă atât electromagnetismul, cât și gravitația au o rază de acțiune efectiv infinită, de ce pământul este ținut pe orbită în jurul soarelui de gravitație și nu de forța electromagnetică? Motivul este că nu există o masă negativă, dar există o sarcină electrică negativă. Dacă plasați o singură sarcină electrică pozitivă lângă o singură sarcină electrică negativă și apoi măsurați forța lor combinată asupra unei alte sarcini îndepărtate, veți constata că sarcina negativă tinde să anuleze oarecum sarcina pozitivă. Un astfel de obiect se numește dipol electric. Forța electromagnetică cauzată de un dipol electric se reduce la 1/r3 și nu la 1/r2 din cauza acestui efect de anulare. În mod similar, dacă luați două sarcini electrice pozitive și două sarcini negative și le așezați aproape una de cealaltă în mod corespunzător, ați creat un cuadripol electric. Forța electromagnetică datorată unui cuadripol electric dispare și mai repede, ca 1/r4, deoarece sarcinile negative fac o treabă atât de bună în a anula sarcinile pozitive. Pe măsură ce adăugați din ce în ce mai multe sarcini pozitive la un număr egal de sarcini negative, raza de acțiune a forței electromagnetice a sistemului devine din ce în ce mai scurtă. Ceea ce este interesant este că majoritatea obiectelor sunt alcătuite din atomi, iar majoritatea atomilor au un număr egal de sarcini electrice pozitive și negative. Prin urmare, în ciuda faptului că forța electromagnetică brută a unei singure sarcini are o rază de acțiune infinită, raza de acțiune efectivă a forței electromagnetice pentru obiecte tipice, cum ar fi stelele și planetele, este mult mai scurtă. De fapt, atomii neutri au o rază electromagnetică efectivă de ordinul nanometrilor. La scară astronomică, rămâne doar gravitația. Dacă ar exista masa negativă (antimateria are masă pozitivă) și dacă atomii ar conține, în general, părți egale de masă pozitivă și negativă, atunci gravitația ar avea aceeași soartă ca și electromagnetismul și nu ar mai exista o forță semnificativă la scară astronomică. Din fericire, nu există masă negativă și, prin urmare, forța gravitațională a mai multor corpuri apropiate este întotdeauna aditivă. Pe scurt, gravitația este cea mai slabă dintre forțe în general, dar este cea dominantă la scara astronomică, deoarece are cea mai mare rază de acțiune și pentru că nu există masă negativă.
*NOTA: În descrierea de mai sus, am folosit formularea newtoniană mai veche a gravitației. Gravitația este descrisă mai exact prin formularea Relativității Generale, care ne spune că gravitația nu este o forță reală, ci este o deformare a spațiu-timpului. La scări mai mici decât grupurile de galaxii și departe de masele super-dense, cum ar fi găurile negre, gravitația newtoniană este o aproximare excelentă a Relativității Generale. Cu toate acestea, pentru a explica corect toate efectele, trebuie să folosiți Relativitatea generală. Conform Relativității Generale și numeroaselor măsurători experimentale care o confirmă, gravitația nu are o rază de acțiune infinită, ci dispare la scara mai mare decât grupurile de galaxii. Prin urmare, gravitația are doar un comportament 1/r2 și o rază de acțiune „nelimitată” la scară mai mică decât grupurile de galaxii. Acesta este motivul pentru care am spus că gravitația are o rază de acțiune „efectiv” infinită. La cele mai mari scări, universul nostru se extinde în loc să fie atras de atracția gravitațională. Acest comportament este prezis de Relativitatea generală. La scări mai mici decât grupurile de galaxii, spațiu-timpul se comportă în mod dominant ca gravitația newtoniană atractivă, în timp ce la scări mai mari, spațiu-timpul se comportă ca ceva complet diferit care se extinde.
Teme: electromagnetism, forță, gravitație, forță nucleară, rază de acțiune
.