Kategori: Kategori: Rymden Publicerad: Kategori: Rymden:
Tyngdkraften är faktiskt den svagaste av de fyra grundläggande krafterna. Ordnat från starkast till svagast är krafterna 1) den starka kärnkraften, 2) den elektromagnetiska kraften, 3) den svaga kärnkraften och 4) gravitationen. Om du tar två protoner och håller dem mycket nära varandra kommer de att utöva flera krafter på varandra. Eftersom de båda har massa utövar de två protonerna gravitationell dragningskraft på varandra. Eftersom de båda har en positiv elektrisk laddning utövar de båda elektromagnetisk avstötning på varandra. Dessutom har de båda en inre ”färgladdning” och utövar därför attraktion via den starka kärnkraften. Eftersom den starka kärnkraften är starkast på korta avstånd dominerar den över de andra krafterna och de två protonerna blir bundna och bildar en heliumkärna (vanligtvis behövs också en neutron för att hålla heliumkärnan stabil). Gravitationen är så svag på atomskala att forskarna vanligtvis kan ignorera den utan att drabbas av betydande fel i sina beräkningar.
På astronomiska skalor dominerar dock gravitationen över de andra krafterna. Det finns två skäl till detta: Det finns två skäl till detta: 1) gravitationen har ett stort räckvidd och 2) det finns ingen negativ massa. Varje kraft avtar i takt med att de två objekt som upplever kraften blir mer åtskilda. Hastigheten med vilken krafterna avklingar är olika för varje kraft. Den starka och den svaga kärnkraften har mycket kort räckvidd, vilket innebär att utanför atomernas små atomkärnor sjunker dessa krafter snabbt till noll. Den lilla storleken på atomkärnorna är ett direkt resultat av kärnkrafternas extremt korta räckvidd. Två partiklar som är nanometer ifrån varandra är alldeles för långt ifrån varandra för att utöva en märkbar kärnkraft på varandra. Om kärnkrafterna är så svaga för två partiklar som bara är nanometer ifrån varandra borde det vara uppenbart att kärnkrafterna är ännu mer försumbara på astronomiska skalor. Jorden och solen är till exempel alldeles för långt ifrån varandra (miljarder meter) för att deras kärnkrafter ska kunna nå varandra. I motsats till kärnkrafterna har både den elektromagnetiska kraften och gravitationen i praktiken oändlig räckvidd* och avtar i styrka som 1/r2.
Om både elektromagnetism och gravitation i praktiken har oändlig räckvidd, varför hålls då jorden i omloppsbana runt solen av gravitationen och inte av den elektromagnetiska kraften? Anledningen är att det inte finns något sådant som negativ massa, men det finns något sådant som negativ elektrisk laddning. Om man placerar en enda positiv elektrisk laddning nära en enda negativ elektrisk laddning och sedan mäter deras kombinerade kraft på en annan, avlägsen laddning, finner man att den negativa laddningen tenderar att upphäva den positiva laddningen något. Ett sådant objekt kallas en elektrisk dipol. Den elektromagnetiska kraft som orsakas av en elektrisk dipol avtar som 1/r3 och inte 1/r2 på grund av denna upphävande effekt. På samma sätt, om man tar två positiva elektriska laddningar och två negativa laddningar och placerar dem nära varandra på rätt sätt, har man skapat en elektrisk kvadrupol. Den elektromagnetiska kraft som beror på en elektrisk kvadrupol avtar ännu snabbare, som 1/r4, eftersom de negativa laddningarna gör ett så bra jobb med att upphäva de positiva laddningarna. När du lägger till fler och fler positiva laddningar till lika många negativa laddningar blir räckvidden för systemets elektromagnetiska kraft kortare och kortare. Det intressanta är att de flesta föremål består av atomer, och de flesta atomer har lika många positiva och negativa elektriska laddningar. Trots att den elektromagnetiska råkraften hos en enskild laddning har en oändlig räckvidd är därför den elektromagnetiska kraftens effektiva räckvidd för typiska objekt som stjärnor och planeter mycket kortare. Neutrala atomer har faktiskt en effektiv elektromagnetisk räckvidd i storleksordningen nanometer. På astronomiska skalor återstår endast gravitationen. Om det fanns något sådant som negativ massa (antimateria har positiv massa), och om atomer i allmänhet innehöll lika delar positiv och negativ massa, skulle gravitationen drabbas av samma öde som elektromagnetismen och det skulle inte finnas någon betydande kraft på den astronomiska skalan. Lyckligtvis finns det ingen negativ massa, och därför är gravitationskraften hos flera kroppar som befinner sig nära varandra alltid additiv. Sammanfattningsvis är gravitationen den svagaste av krafterna i allmänhet, men den är den dominerande på astronomisk skala eftersom den har den längsta räckvidden och eftersom det inte finns någon negativ massa.
*ANMÄRKNING: I beskrivningen ovan har jag använt den äldre newtonska formuleringen av gravitationen. Gravitationen beskrivs mer korrekt med formuleringen i den allmänna relativitetsteorin, som säger oss att gravitationen inte är en verklig kraft utan en förvrängning av rumtiden. På skalor som är mindre än galaxgrupper och bort från supertäta massor som svarta hål är Newtons gravitation en utmärkt approximation av den allmänna relativitetsteorin. För att korrekt förklara alla effekter måste man dock använda sig av den allmänna relativitetsteorin. Enligt den allmänna relativitetsteorin och de många experimentella mätningar som bekräftar den har gravitationen inte oändlig räckvidd utan försvinner på skalan större än galaxgrupper. Därför har gravitationen endast ett 1/r2-beteende och en ”obegränsad” räckvidd på en skala som är mindre än galaxgrupper. Det är därför jag sa att gravitationen har ”i praktiken” oändlig räckvidd. På de största skalorna expanderar vårt universum snarare än att dras samman av gravitationens dragningskraft. Detta beteende förutsägs av den allmänna relativitetsteorin. På skalor som är mindre än galaxgrupper agerar rymdtiden dominerande som attraktiv Newtonsk gravitation, medan rymdtiden på större skalor agerar som något helt annat som expanderar.
Teman: elektromagnetism, kraft, gravitation, kärnkraft, räckvidd