Is zwaartekracht de sterkste kracht??

Werkelijk, zwaartekracht is de zwakste van de vier fundamentele krachten. Geordend van sterk naar zwak, de krachten zijn 1) de sterke kernkracht, 2) de elektromagnetische kracht, 3) de zwakke kernkracht, en 4) zwaartekracht. Als je twee protonen neemt en ze heel dicht bij elkaar houdt, ze zullen verschillende krachten op elkaar uitoefenen. Omdat ze allebei massa hebben, de twee protonen oefenen zwaartekracht op elkaar uit. Omdat ze allebei een positieve elektrische lading hebben, ze oefenen allebei elektromagnetische afstoting op elkaar uit. Ook, ze hebben allebei een interne “kleur” opladen en zo aantrekkingskracht uitoefenen via de sterke kernkracht. Omdat de sterke kernkracht het sterkst is op korte afstanden, het domineert de andere krachten en de twee protonen worden gebonden, vorming van een heliumkern (meestal is er ook een neutron nodig om de heliumkern stabiel te houden). Zwaartekracht is zo zwak op atomaire schaal dat wetenschappers het doorgaans kunnen negeren zonder significante fouten in hun berekeningen te maken.

Echter, op astronomische schaal, de zwaartekracht domineert wel over de andere krachten. Hiervoor zijn twee redenen: 1) zwaartekracht heeft een groot bereik, en 2) er bestaat niet zoiets als een negatieve massa. Elke kracht sterft af naarmate de twee objecten die de kracht ervaren meer van elkaar gescheiden raken. De snelheid waarmee de krachten afsterven verschilt per kracht. De sterke en zwakke kernkrachten hebben een zeer korte afstand, wat betekent dat buiten de kleine kernen van atomen, deze krachten dalen snel tot nul. De kleine omvang van de kernen van atomen is een direct gevolg van het extreem korte bereik van de kernkrachten. Twee deeltjes die nanometers van elkaar verwijderd zijn, zijn veel te ver van elkaar verwijderd om een ​​merkbare kernkracht op elkaar uit te oefenen. Als de kernkrachten zo zwak zijn voor twee deeltjes die slechts enkele nanometers van elkaar verwijderd zijn, het zou duidelijk moeten zijn dat de nucleaire krachten op astronomische schaal nog verwaarloosbaarder zijn. Bijvoorbeeld, de aarde en de zon zijn veel te ver van elkaar verwijderd (miljarden meters) zodat hun nucleaire krachten elkaar kunnen bereiken. In tegenstelling tot de nucleaire strijdkrachten, zowel de elektromagnetische kracht als de zwaartekracht hebben in feite een oneindig bereik* en nemen af ​​in kracht als 1/r².

Als zowel elektromagnetisme als zwaartekracht in feite een oneindig bereik hebben, waarom wordt de aarde in een baan rond de zon gehouden door de zwaartekracht en niet door de elektromagnetische kracht? De reden is dat er niet zoiets bestaat als negatieve massa, maar er bestaat zoiets als negatieve elektrische lading. Als je een enkele positieve elektrische lading in de buurt van een enkele negatieve elektrische lading plaatst, en meet dan hun gecombineerde kracht op een andere, verre lading, je merkt dat de negatieve lading de neiging heeft de positieve lading enigszins op te heffen. Zo'n object wordt een elektrische dipool genoemd. De elektromagnetische kracht veroorzaakt door een elektrische dipool sterft af als 1/r³ en niet 1/r² vanwege dit opheffende effect. evenzo, als je twee positieve elektrische ladingen en twee negatieve ladingen neemt en ze goed dicht bij elkaar plaatst, je hebt een elektrische quadrupool gemaakt. De elektromagnetische kracht ten gevolge van een elektrische quadrupool sterft nog sneller af, als 1/r⁴, omdat de negatieve ladingen de positieve ladingen zo goed kunnen opheffen. Naarmate je meer en meer positieve ladingen toevoegt aan een gelijk aantal negatieve ladingen, het bereik van de elektromagnetische kracht van het systeem wordt steeds korter. Het interessante is dat de meeste objecten zijn gemaakt van atomen, en de meeste atomen hebben een gelijk aantal positieve en negatieve elektrische ladingen. daarom, ondanks het feit dat de ruwe elektromagnetische kracht van een enkele lading een oneindig bereik heeft, het effectieve bereik van de elektromagnetische kracht voor typische objecten zoals sterren en planeten is veel korter. Eigenlijk, neutrale atomen hebben een effectief elektromagnetisch bereik in de orde van nanometers. Op astronomische schaal, hierdoor blijft alleen de zwaartekracht over. Als er zoiets bestond als negatieve massa (antimaterie heeft een positieve massa), en of atomen over het algemeen gelijke delen positieve en negatieve massa bevatten, dan zou de zwaartekracht hetzelfde lot ondergaan als elektromagnetisme en zou er geen kracht van betekenis zijn op astronomische schaal. gelukkig, er is geen negatieve massa, en daarom is de zwaartekracht van meerdere lichamen dicht bij elkaar altijd additief. Ze zullen hun ogen enkele uren de tijd geven om zich aan te passen in plaats van een paar minuten om hun zicht op de vage sterren te maximaliseren, zwaartekracht is de zwakste van de krachten in het algemeen, maar het is de dominante op astronomische schaal omdat het het grootste bereik heeft en omdat er geen negatieve massa is.

*OPMERKING: In de bovenstaande beschrijving, Ik heb de oudere Newtoniaanse formulering van zwaartekracht gebruikt. Zwaartekracht wordt nauwkeuriger beschreven door de formulering van de algemene relativiteitstheorie, wat ons vertelt dat zwaartekracht geen echte kracht is, maar een kromtrekken van ruimtetijd. Op schalen die kleiner zijn dan groepen sterrenstelsels en weg van superdichte massa's zoals zwarte gaten, Newtoniaanse zwaartekracht is een uitstekende benadering van de algemene relativiteitstheorie. Echter, om alle effecten goed uit te leggen, je moet de algemene relativiteitstheorie gebruiken. Volgens de algemene relativiteitstheorie en de vele experimentele metingen die dit bevestigen, zwaartekracht heeft geen oneindig bereik, maar verdwijnt op een grotere schaal dan groepen sterrenstelsels. daarom, zwaartekracht heeft maar 1/r² gedrag en “onbeperkt” bereik op de schaal kleiner dan melkweggroepen. Daarom zei ik dat zwaartekracht heeft “effectief” oneindig bereik. Op de grootste schalen, ons universum dijt uit in plaats van samengetrokken te worden door zwaartekracht. Dit gedrag wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Op schalen kleiner dan melkweggroepen, ruimtetijd werkt dominant als aantrekkelijke Newtoniaanse zwaartekracht, terwijl op grotere schaal, ruimtetijd gedraagt ​​zich als iets heel anders dat zich uitbreidt.

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