Jak beznadziejnie słaba jest grawitacja?

Niedawno spotkałem się z komentarzem wyrażającym podziw dla potęgi grawitacji, która dominuje nad innymi oddziaływaniami i ustala własne porządki we wszechświecie. Nie do końca tak się sprawy mają.

Krótko. Wśród oddziaływań podstawowych najpotężniejsze jest oddziaływanie silne, zaś grawitacja zdecydowanie najsłabsza.

Fizyczną rzeczywistością rządzą cztery siły: grawitacja, elektromagnetyzm, oddziaływanie słabe oraz oddziaływanie silne. W skali makroskopowej znaczenie mają jedynie dwa pierwsze, czego doświadczamy na każdym kroku. Uderzenie pioruna czy zabawa z magnesem neodymowym szybko przekonują nas o potencjale pola elektromagnetycznego. Z kolei codzienny wysiłek konieczny do zwleczenia się z łóżka, przypomina nam o niekwestionowanym panowaniu grawitacji. Oddziaływanie słabe (na którym nie będziemy się skupiać w tym tekście) oraz oddziaływanie silne to również niezbędne składniki przyrody, odpowiadające kolejno za rozpady jądrowe oraz za zlepianie cząstek wewnątrz jądra atomowego. Większość ludzi nie zdaje sobie jednak sprawy z ich istnienia, z uwagi na ekstremalnie krótki zasięg działania. Nośniki tych oddziaływań nie potrafią przebyć drogi dłuższej od biliardowych części metra, co w praktyce oznacza niewyściubianie nosa poza obszar większy od średnicy jądra atomu.

Mimo absurdalnie wątłych granic panowania, oddziaływanie silne – jak sama nazwa wskazuje – imponuje swoją mocą. Ocenia się, że “klej” spajający cząstki w centrum atomu jest około stokrotnie solidniejszy od tego co zapewnia bliski nam wszystkim elektromagnetyzm. To proporcja, z której warto zdawać sobie sprawę. Zauważ, że protony posiadają zawsze dodatni ładunek elektryczny, co powinno prowadzić do ich wzajemnego odpychania. Tylko dzięki temu, że oddziaływanie silne jest wielokrotnie mocniejsze, nukleony pozostają wtulone w siebie gwarantując stabilność budujących nas atomów. Ten drobny z pozoru niuans, pozwolił więc powstać materii w znanej nam formie.

Elektromagnetyzm jest silniejszy od siły grawitacji

Jakie miejsce zajmuje w tej hierarchii siła grawitacji? Na pewno zdajesz sobie sprawę, iż wszechobecne oddziaływanie grawitacyjne kieruje ruchem planet, gwiazd, a nawet całych galaktyk i grup galaktyk. To prawdziwy kosmiczny dyrygent, toteż oskarżenie go o słabość, może brzmieć niedorzecznie. A jednak, najbliższa nam siła nie ma w ogóle startu w tej rywalizacji. Aby w ogóle porównać grawitację z elektromagnetyzmem i uzmysłowić sobie jej niesłychaną słabość trzeba uciec się do liczb olbrzymich nawet jak na standardy astronomii. Zależnie od szacunków, odpychanie dwóch elektrycznie naładowanych ciał jest od sekstyliona (1036) do septyliona (1042) razy silniejsze od ich przyciągania grawitacyjnego. Mówimy o liczbie z czterdziestoma dwoma zerami! Tak bardzo należałoby podkręcić grawitację aby nagle zrównała się ona z elektromagnetyzmem. W ten sposób niewielki magnesik przyciągający pinezkę jest w stanie przezwyciężyć siłę ciążenia całej planety.

Jeśli pamiętasz coś z ogólnej teorii względności, pewnie kojarzysz metaforę przedstawiającą przyciąganie grawitacyjne jako wynik ugięcia płótna czasoprzestrzennego wskutek obecności masy. Patrząc na barwne ilustracje obrazujące ten efekt, łatwo dojść do wniosku, że ta niewidzialna sieć musi być plastyczna i łatwa do odkształcania. Nic bardziej mylnego. Einsteinowską czasoprzestrzeń cechuje ogromna sztywność – niechętnie ulega deformacji i potrzeba obiektów o monstrualnych gabarytach aby dostrzec wyraźne efekty. Oddziaływanie grawitacyjne pojedynczej cząstki elementarnej czy nawet całego atomu jest tak śmiesznie małe, że z czystym sumieniem można je ignorować.

Jednak pomimo tej zawstydzającej słabości, nikt nie zaprzeczy, że grawitacja radzi sobie całkiem dobrze i bez kompleksów kształtuje wszechświat. W jaki sposób coś tak lichego posiada tak przemożne wpływy? Oddziaływania jądrowe mają zbyt krótki zasięg aby stanowić konkurencję, ale dlaczego pełnej hegemonii nie zdobył elektromagnetyzm? Kamieniem u szyi tego ostatniego jest występowanie różnoimiennych ładunków elektrycznych. Kiedy jabłko spada na ziemię, elektromagnetyzm nie ma nic do gadania, bowiem atomy budujące materię owocu oraz planety pozostają elektrycznie obojętne. Grawitacja natomiast, według współczesnej wiedzy posiada tylko jeden “ładunek”. Każde zwiększenie masy danego ciała, prowadzi wyłącznie do prostego wzmocnienia przyciągania grawitacyjnego.

Akcelerator cząstek: duża zabawka dla fizyków Najpiękniejsza weryfikacja ogólnej teorii względności Dlaczego nie istnieją gwiazdy protonowe?