แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่แข็งแกร่งที่สุด?

จริงๆ แล้ว, แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอที่สุดในสี่แรงพื้นฐาน. เรียงลำดับจากผู้แข็งแกร่งไปหาผู้อ่อนแอที่สุด, กองกำลังคือ 1) แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม, 2) แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, 3) แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน, และ 4) แรงโน้มถ่วง. ถ้าคุณเอาโปรตอนสองตัวมาจับไว้ใกล้กันมาก, พวกเขาจะออกแรงหลายครั้งต่อกัน. เพราะทั้งสองมีมวล, โปรตอนทั้งสองมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน. เพราะทั้งคู่มีประจุไฟฟ้าบวก, พวกเขาทั้งสองออกแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้าใส่กัน. อีกด้วย, พวกเขาทั้งสองมีภายใน “สี” พุ่งเข้าใส่และออกแรงดึงดูดผ่านแรงนิวเคลียร์อย่างแรง. เพราะแรงนิวเคลียร์ที่รุนแรงจะแข็งแกร่งที่สุดในระยะทางสั้น ๆ, มันครอบงำเหนือแรงอื่นๆ และโปรตอนทั้งสองก็จับกัน, ก่อตัวเป็นนิวเคลียสฮีเลียม (โดยทั่วไปแล้วนิวตรอนก็จำเป็นเช่นกันเพื่อรักษานิวเคลียสของฮีเลียมให้คงที่). แรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนแอมากในระดับอะตอม ซึ่งโดยทั่วไปแล้วนักวิทยาศาสตร์สามารถเพิกเฉยได้โดยไม่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญในการคำนวณ.

อย่างไรก็ตาม, ในระดับดาราศาสตร์, แรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลเหนือแรงอื่นๆ. มีสองเหตุผลสำหรับเรื่องนี้: 1) แรงโน้มถ่วงมีระยะไกล, และ 2) ไม่มีสิ่งที่เรียกว่ามวลลบ. แรงแต่ละอันจะดับลงเมื่อวัตถุทั้งสองที่ประสบกับแรงนั้นแยกออกจากกันมากขึ้น. อัตราที่กองกำลังตายออกไปจะแตกต่างกันไปในแต่ละกองกำลัง. กองกำลังนิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อนนั้นมีพิสัยสั้นมาก, หมายความว่าอยู่นอกนิวเคลียสเล็กๆ ของอะตอม, พลังเหล่านี้ลดลงอย่างรวดเร็วจนเหลือศูนย์. นิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กเป็นผลโดยตรงจากแรงนิวเคลียร์ที่มีพิสัยสั้นมาก. อนุภาคสองตัวที่อยู่ห่างกันนาโนเมตรนั้นอยู่ห่างจากกันมากเกินกว่าจะออกแรงนิวเคลียร์ใส่กันมากจนประเมินค่าได้. ถ้าแรงนิวเคลียร์อ่อนมากสำหรับอนุภาคสองตัวที่อยู่ห่างกันเพียงนาโนเมตร, ควรจะเห็นได้ชัดว่ากองกำลังนิวเคลียร์มีความสำคัญน้อยกว่าในระดับดาราศาสตร์. ตัวอย่างเช่น, โลกและดวงอาทิตย์อยู่ห่างไกลจากกันมากเกินไป (หลายพันล้านเมตร) เพื่อให้กองกำลังนิวเคลียร์ของพวกเขาเข้าถึงกัน. ตรงกันข้ามกับกองกำลังนิวเคลียร์, ทั้งแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงมีช่วงอนันต์อย่างมีประสิทธิผล* และสูญเสียความแรงเป็น 1/r².

ถ้าทั้งแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงมีช่วงอนันต์อย่างมีประสิทธิผล, เหตุใดโลกจึงถูกยึดในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยแรงโน้มถ่วง ไม่ใช่ด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า? เหตุผลก็คือไม่มีมวลที่เป็นลบ, แต่มีประจุไฟฟ้าลบอยู่ด้วย. หากคุณวางประจุไฟฟ้าบวกอันหนึ่งไว้ใกล้กับประจุไฟฟ้าลบอันเดียว, แล้ววัดแรงรวมของมันกับอีกอันหนึ่ง, ค่าใช้จ่ายระยะไกล, คุณพบว่าประจุลบมีแนวโน้มที่จะหักล้างประจุบวกบ้าง. วัตถุดังกล่าวเรียกว่าไดโพลไฟฟ้า. แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากไดโพลไฟฟ้าจะดับลงเป็น 1/r³ และไม่ใช่ 1/r² เพราะผลการยกเลิกนี้. ซึ่งเชื่อว่าจะเป็นประโยชน์ต่อการส่งมอบยาที่ต้องฉีดต่อไปในระยะยาว, ถ้าคุณนำประจุไฟฟ้าบวก 2 ประจุและประจุลบ 2 ประจุมาวางใกล้กันอย่างเหมาะสม, คุณได้สร้างสี่เท่าไฟฟ้า. แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากสี่ขั้วไฟฟ้าจะดับลงอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น, เป็น 1/r⁴, เพราะประจุลบสามารถยกเลิกประจุบวกได้ดี. เมื่อคุณเพิ่มประจุบวกมากขึ้นเรื่อยๆ ให้กับประจุลบจำนวนเท่ากัน, ช่วงแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของระบบจะสั้นลงเรื่อยๆ. สิ่งที่น่าสนใจคือวัตถุส่วนใหญ่สร้างจากอะตอม, และอะตอมส่วนใหญ่มีจำนวนประจุไฟฟ้าบวกและลบเท่ากัน. ดังนั้น, แม้ว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าดิบของประจุเดี่ยวจะมีช่วงไม่สิ้นสุดก็ตาม, ช่วงที่มีประสิทธิภาพของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับวัตถุทั่วไป เช่น ดวงดาวและดาวเคราะห์ นั้นสั้นกว่ามาก. ในความเป็นจริง, อะตอมที่เป็นกลางมีช่วงแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีประสิทธิผลประมาณนาโนเมตร. ในระดับดาราศาสตร์, นี่เหลือเพียงแรงโน้มถ่วงเท่านั้น. หากมีมวลลบเกิดขึ้น (ปฏิสสารมีมวลบวก), และถ้าโดยทั่วไปอะตอมมีมวลบวกและลบเท่ากัน, แรงโน้มถ่วงก็จะประสบชะตากรรมเช่นเดียวกับแม่เหล็กไฟฟ้า และจะไม่มีแรงที่มีนัยสำคัญในระดับดาราศาสตร์. โชคดี, ไม่มีมวลลบ, ดังนั้นแรงโน้มถ่วงของวัตถุหลายชิ้นที่อยู่ใกล้กันจึงเป็นการบวกกันเสมอ. การเข้าถึงตลอดชีวิต, แรงโน้มถ่วงถือเป็นแรงที่อ่อนแอที่สุดโดยทั่วไป, แต่เป็นค่าที่โดดเด่นในระดับดาราศาสตร์เนื่องจากมีพิสัยที่ยาวที่สุดและไม่มีมวลเป็นลบ.

*คุณสามารถใช้ซอฟต์แวร์ตัวถัดไปเพื่อเรียนรู้หลักสูตรนี้ได้: ในคำอธิบายข้างต้น, ฉันใช้สูตรแรงโน้มถ่วงแบบนิวตันแบบเก่า. แรงโน้มถ่วงอธิบายได้แม่นยำกว่าโดยสูตรของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป, ซึ่งบอกเราว่าแรงโน้มถ่วงไม่ใช่พลังที่แท้จริง แต่เป็นการบิดเบี้ยวของกาลอวกาศ. บนเกล็ดที่เล็กกว่ากลุ่มกาแลคซีและอยู่ห่างจากมวลหนาแน่นมากเช่นหลุมดำ, แรงโน้มถ่วงของนิวตันเป็นการประมาณค่าสัมพัทธภาพทั่วไปได้ดีเยี่ยม. อย่างไรก็ตาม, เพื่ออธิบายผลกระทบทั้งหมดได้อย่างถูกต้อง, คุณต้องใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป. ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและการวัดเชิงทดลองมากมายที่ยืนยันได้, แรงโน้มถ่วงไม่มีช่วงอนันต์ แต่จะสลายไปในขนาดที่ใหญ่กว่ากลุ่มกาแลคซี. ดังนั้น, แรงโน้มถ่วงมีเพียง 1/r² พฤติกรรมและ “ไม่ จำกัด” ในระยะที่เล็กกว่ากลุ่มกาแล็กซี. นั่นคือเหตุผลที่ฉันบอกว่าแรงโน้มถ่วงมี “อย่างมีประสิทธิภาพ” ช่วงอนันต์. บนตาชั่งที่ใหญ่ที่สุด, จักรวาลของเรากำลังขยายตัวแทนที่จะถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรงดึงดูด. พฤติกรรมนี้ทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป. บนเกล็ดที่เล็กกว่ากลุ่มกาแล็กซี, กาลอวกาศทำหน้าที่อย่างโดดเด่นเหมือนกับแรงโน้มถ่วงของนิวตันที่น่าดึงดูด, ในขณะที่อยู่ในระดับที่ใหญ่กว่า, กาลอวกาศทำหน้าที่เหมือนบางสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงที่กำลังขยายตัว.

เครดิต:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/05/22/ทำไม-เป็น-แรงโน้มถ่วง-the-แรงที่สุด-แรง/