La gravità è la forza più forte?

In realtà, la gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali. Ordinato dal più forte al più debole, le forze sono 1) la forza nucleare forte, 2) la forza elettromagnetica, 3) la debole forza nucleare, e 4) gravità. Se prendi due protoni e li tieni molto vicini tra loro, eserciteranno diverse forze l'una sull'altra. Perché entrambi hanno massa, i due protoni esercitano attrazione gravitazionale l'uno sull'altro. Perché entrambi hanno una carica elettrica positiva, entrambi esercitano una repulsione elettromagnetica l'uno sull'altro. Anche, entrambi hanno interni “colore” caricarsi e quindi esercitare attrazione tramite la forza nucleare forte. Perché la forza nucleare forte è più forte a breve distanza, domina sulle altre forze e i due protoni si legano, formando un nucleo di elio (tipicamente è necessario anche un neutrone per mantenere stabile il nucleo di elio). La gravità è così debole su scala atomica che gli scienziati in genere possono ignorarla senza incorrere in errori significativi nei loro calcoli.

tuttavia, su scale astronomiche, la gravità domina sulle altre forze. Ci sono due ragioni per questo: 1) la gravità ha un lungo raggio, e 2) non esiste una massa negativa. Ogni forza si estingue man mano che i due oggetti che sperimentano la forza diventano più separati. La velocità con cui le forze si estinguono è diversa per ciascuna forza. Le forze nucleari forti e deboli hanno un raggio d’azione molto breve, il che significa che al di fuori dei minuscoli nuclei degli atomi, queste forze scendono rapidamente a zero. La dimensione minuscola dei nuclei degli atomi è il risultato diretto della portata estremamente breve delle forze nucleari. Due particelle distanti pochi nanometri sono troppo distanti l'una dall'altra per esercitare una forza nucleare apprezzabile l'una sull'altra. Se le forze nucleari sono così deboli per due particelle distanti solo nanometri, dovrebbe essere ovvio che le forze nucleari sono ancora più trascurabili su scala astronomica. Per esempio, la terra e il sole sono troppo distanti l'uno dall'altro (miliardi di metri) affinché le loro forze nucleari si raggiungano. In contrasto con le forze nucleari, sia la forza elettromagnetica che la gravità hanno effettivamente una portata infinita* e si estinguono in forza come 1/r².

Se sia l’elettromagnetismo che la gravità abbiano effettivamente una portata infinita, perché la terra è tenuta in orbita attorno al sole dalla gravità e non dalla forza elettromagnetica? Il motivo è che non esiste una massa negativa, ma esiste la carica elettrica negativa. Se metti una singola carica elettrica positiva vicino a una singola carica elettrica negativa, e poi misurare la loro forza combinata su un altro, carica distante, scopri che la carica negativa tende in qualche modo a cancellare la carica positiva. Un oggetto di questo tipo è chiamato dipolo elettrico. La forza elettromagnetica causata da un dipolo elettrico si estingue come 1/r³ e non 1/r² a causa di questo effetto di annullamento. allo stesso modo, se prendi due cariche elettriche positive e due cariche negative e le metti correttamente vicine l'una all'altra, hai creato un quadrupolo elettrico. La forza elettromagnetica dovuta ad un quadrupolo elettrico si estingue ancora più rapidamente, come 1/r⁴, perché le cariche negative fanno un ottimo lavoro nel cancellare le cariche positive. Man mano che aggiungi sempre più cariche positive a un numero uguale di cariche negative, la portata della forza elettromagnetica del sistema diventa sempre più breve. La cosa interessante è che la maggior parte degli oggetti sono fatti di atomi, e la maggior parte degli atomi ha un numero uguale di cariche elettriche positive e negative. Perciò, nonostante il fatto che la forza elettromagnetica grezza di una singola carica abbia una portata infinita, la portata effettiva della forza elettromagnetica per oggetti tipici come stelle e pianeti è molto più breve. Infatti, gli atomi neutri hanno una gamma elettromagnetica effettiva dell'ordine dei nanometri. Su scala astronomica, questo lascia solo la gravità. Se esistesse una cosa come la massa negativa (l'antimateria ha massa positiva), e se gli atomi contenessero generalmente parti uguali di massa positiva e negativa, allora la gravità subirebbe lo stesso destino dell’elettromagnetismo e non ci sarebbe alcuna forza significativa su scala astronomica. per fortuna, non c'è massa negativa, e quindi la forza gravitazionale di più corpi vicini è sempre additiva. In sintesi, la gravità è la più debole delle forze in generale, ma è quello dominante su scala astronomica perché ha la portata più lunga e perché non ha massa negativa.

*NOTA: Nella descrizione sopra, Ho usato la vecchia formulazione newtoniana della gravità. La gravità è descritta più accuratamente dalla formulazione della Relatività Generale, il che ci dice che la gravità non è una forza reale ma è una deformazione dello spaziotempo. Su scale più piccole dei gruppi di galassie e lontano da masse super dense come i buchi neri, La gravità newtoniana è un’eccellente approssimazione della Relatività Generale. tuttavia, per spiegare adeguatamente tutti gli effetti, devi usare la relatività generale. Secondo la Relatività Generale e le numerose misurazioni sperimentali che lo confermano, la gravità non ha una portata infinita ma si estende su una scala più grande dei gruppi di galassie. Perciò, la gravità ha solo 1/r² comportamento e “illimitato” gamma su scala più piccola dei gruppi di galassie. Ecco perché ho detto che la gravità sì “effettivamente” gamma infinita. Su larga scala, il nostro universo si sta espandendo anziché essere attratto dall'attrazione gravitazionale. Questo comportamento è previsto dalla Relatività Generale. Su scale più piccole dei gruppi di galassie, lo spaziotempo agisce prevalentemente come la gravità attrattiva newtoniana, mentre su scala più ampia, lo spaziotempo si comporta come qualcosa di completamente diverso che si sta espandendo.

Credito:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/05/22/why-is-gravity-the-strongest-force/