Почему гравитация самая сильная сила?

Гравитация настолько слаба, что водородная связь в одной капле воды, которая является одной из самых слабых форм электромагнитного взаимодействия, может пересилить гравитацию целой планеты. Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд.

На самом деле гравитация — самая слабая из четырех фундаментальных сил. Силы, упорядоченные от самого сильного к самому слабому, следующие: 1) сильное ядерное взаимодействие, 2) электромагнитное взаимодействие, 3) слабое ядерное взаимодействие и 4) гравитация. Если вы возьмете два протона и держите их очень близко друг к другу, они будут оказывать друг на друга несколько сил. Поскольку они оба имеют массу, два протона оказывают друг на друга гравитационное притяжение. Поскольку они оба имеют положительный электрический заряд, они оба вызывают электромагнитное отталкивание друг от друга. Кроме того, они оба имеют внутренний «цветовой» заряд и, таким образом, оказывают притяжение за счет сильного ядерного взаимодействия. Поскольку сильное ядерное взаимодействие является самым сильным на коротких расстояниях, оно преобладает над другими силами, и два протона становятся связанными, образуя ядро ​​гелия (обычно для поддержания стабильности ядра гелия также необходим нейтрон). Гравитация настолько слаба в атомном масштабе, что ученые обычно могут игнорировать ее, не допуская значительных ошибок в своих расчетах.

Однако в астрономических масштабах гравитация доминирует над другими силами. На это есть две причины: 1) гравитация имеет большой радиус действия и 2) отрицательной массы не существует. Каждая сила угасает по мере того, как два объекта, испытывающие силу, становятся более разделенными. Скорость, с которой силы угасают, различна для каждой силы. Сильные и слабые ядерные взаимодействия очень короткодействующие, а это означает, что за пределами крошечных ядер атомов эти силы быстро падают до нуля.Крошечный размер ядер атомов является прямым следствием чрезвычайно малого радиуса действия ядерных сил. Две частицы, находящиеся на расстоянии нанометров друг от друга, слишком далеки друг от друга, чтобы оказывать заметное ядерное взаимодействие друг на друга. Если ядерные силы настолько слабы для двух частиц, расстояние между которыми всего лишь нанометры, должно быть очевидно, что ядерные силы еще более ничтожны в астрономических масштабах. Например, Земля и Солнце слишком удалены друг от друга (миллиарды метров), чтобы их ядерные силы достигли друг друга. В отличие от ядерных сил, как электромагнитная сила, так и гравитация имеют практически бесконечный диапазон* и уменьшаются в силе как 1/r 2 .

Если и электромагнетизм, и гравитация имеют фактически бесконечный радиус действия, то почему Земля удерживается на орбите вокруг Солнца гравитацией, а не электромагнитной силой? Причина в том, что нет такой вещи, как отрицательная масса, но есть такая вещь, как отрицательный электрический заряд. Если вы поместите один положительный электрический заряд рядом с одним отрицательным электрическим зарядом, а затем измерите их объединенную силу с другим, удаленным зарядом, вы обнаружите, что отрицательный заряд имеет тенденцию несколько компенсировать положительный заряд. Такой объект называется электрическим диполем. Электромагнитная сила, вызванная электрическим диполем, затухает как 1/r 3 , а не 1/r 2 из-за этого компенсирующего эффекта. Точно так же, если вы возьмете два положительных электрических заряда и два отрицательных заряда и правильно поместите их близко друг к другу, вы создадите электрический квадруполь. Электромагнитная сила, обусловленная электрическим квадруполем, угасает еще быстрее, как 1/r 4 , потому что отрицательные заряды так хорошо нейтрализуют положительные заряды. По мере того, как вы добавляете все больше и больше положительных зарядов к равному количеству отрицательных зарядов, диапазон электромагнитной силы системы становится все короче и короче.Интересно то, что большинство объектов состоит из атомов, а большинство атомов имеют одинаковое количество положительных и отрицательных электрических зарядов. Поэтому, несмотря на то, что исходная электромагнитная сила одиночного заряда имеет бесконечный диапазон, эффективный диапазон электромагнитной силы для типичных объектов, таких как звезды и планеты, намного короче. Фактически нейтральные атомы имеют эффективный электромагнитный диапазон порядка нанометров. В астрономических масштабах остается только гравитация. Если бы существовала такая вещь, как отрицательная масса (антиматерия имеет положительную массу), и если бы атомы обычно содержали равные части положительной и отрицательной массы, гравитацию постигла бы та же участь, что и электромагнетизм, и не было бы значительной силы в астрономическом масштабе. К счастью, отрицательной массы не существует, и поэтому гравитационная сила нескольких близких друг к другу тел всегда аддитивна. Таким образом, гравитация является самой слабой из сил в целом, но она является доминирующей в астрономических масштабах, потому что имеет самый большой радиус действия и потому что нет отрицательной массы.

* ПРИМЕЧАНИЕ. В приведенном выше описании я использовал старую ньютоновскую формулировку гравитации. Гравитация более точно описывается формулировкой общей теории относительности, которая говорит нам, что гравитация — это не реальная сила, а искривление пространства-времени. В масштабах, меньших, чем группы галактик, и вдали от сверхплотных масс, таких как черные дыры, ньютоновская гравитация является отличным приближением к общей теории относительности. Однако, чтобы правильно объяснить все эффекты, вы должны использовать общую теорию относительности. Согласно общей теории относительности и многочисленным экспериментальным измерениям, подтверждающим ее, гравитация не имеет бесконечного диапазона, а исчезает в масштабе, большем, чем группы галактик. Следовательно, гравитация имеет только поведение 1/r 2 и «неограниченный» диапазон в масштабе, меньшем, чем группы галактик. Вот почему я сказал, что гравитация имеет «фактически» бесконечный радиус действия.В самых больших масштабах наша Вселенная расширяется, а не стягивается гравитационным притяжением. Такое поведение предсказывается общей теорией относительности. В масштабах меньших, чем группы галактик, пространство-время действует в основном как притягательная ньютоновская гравитация, в то время как в больших масштабах пространство-время действует как нечто совершенно иное, расширяющееся.