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.

Ciut dłużej.
 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 grawitacjiJakie miejsce zajmuje w tej hie­rar­chii gra­wi­ta­cja? 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 wzmoc­nie­nia jego przy­cią­ga­nia gra­wi­ta­cyj­nego.

  • Andrewin M

    Kojarzę, ale nie pamiętam dokład­nej liczby, że aby zrównały się siły elek­tro­ma­gne­ty­zmu z gra­wi­ta­cją dwóch cząstek o tym samym ładunku to muszą się znaj­do­wać ileś tam lat świetl­nych od siebie.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Kuba

      Coś źle koja­rzysz — obie siły maleją równo z kwa­dra­tem odle­gło­ści, więc ich stosunek będzie taki sam bez względu na odle­głość. Poli­czy­łem sobie, że żeby siła gra­wi­ta­cyjna była równa sile elek­tro­sta­tycz­nej dla 2 ciał o ładunku ele­men­tar­nym, to te ciała musiały by mieć masę ok. 2 mikro­gramy.
      Zresztą porów­ny­wa­nie samych sił jest trochę bez sensu, bo zawsze musimy określić wła­ści­wo­ści oddzia­łu­ją­cych ciał, a nie samych sił. Np. siła el. między 2 pro­to­nami jest dużo większa niż siła gra­wi­ta­cji między nimi, ale jak weźmiemy 2 neutrony, to sprawa ma się zupełnie inaczej.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Jakże sprawa miałaby nie mieć się inaczej, skoro neutrony są neu­tralne elek­trycz­nie? ^^

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kuba

        No właśnie. Czepiam się nie­do­mó­wie­nia, które prawie każdy popełnia, Ty też. Cytuję:
        “Zależnie od sza­cun­ków, odpy­cha­nie dwóch elek­trycz­nie nała­do­wa­nych ciał jest od sek­sty­liona (10^36) do sep­ty­liona (10^42) razy sil­niej­sze od ich przy­cią­ga­nia gra­wi­ta­cyj­nego.” To nie zależy od sza­cun­ków (bo współ­czyn­niki pro­por­cjo­nal­no­ści obu oddzia­ły­wań są znane z dość dużą precyzją), tylko od ciał, jakie roz­pa­tru­jemy. W poprzed­nim komen­ta­rzu podałem przykład ciał, gdzie oba oddzia­ły­wa­nia mają równą siłę. Oczy­wi­ście pod koniec artykułu wyja­śniasz sprawę, ale zacy­to­wane zdanie jednak drażni.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Nalepa

        Ale chyba w cytacie, który zacy­to­wa­łeś widnieje odpo­wiedź
        “odpy­cha­nie dwóch elek­trycz­nie nała­do­wa­nych ciał”
        Jak powie­dział przed­mówca, trudno mówić o nała­do­wa­nym neu­tro­nie. Chyba że chodzi ci o coś innego.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kuba

        Co do cyto­wa­nego przeze mnie zdania, kontr­przy­kła­dem były ciała nała­do­wane (ładun­kiem ele­men­tar­nym) o masie 2 mikro­gra­mów.
        Przykład z neu­tro­nem chyba trochę zamie­szał i może nie­po­trzeb­nie go tu dałem. Chodziło mi o to, że jeśli ktoś porów­nuje siły, to często milcząco(!) zakłada 2 oddzia­łu­jące na siebie protony. A wtedy nie porów­nuje ogólnie samych sił (gra­wi­ta­cyj­nej i el-mag), tylko siły między dwoma, arbi­tral­nie wybra­nymi cząst­kami. Oczy­wi­ście takie porów­na­nie ma sens, ale trzeba jasno i wyraźnie powie­dzieć, między jakimi czą­stecz­kami się je porów­nuje. Bo gdy weźmiemy ciała o innych masach lub ładun­kach, to stosunek sił będzie dia­me­tral­nie różny.
        Pod­su­mo­wu­jąc: siła ma okre­śloną wartość tylko jeśli działa na kon­kretne ciało. Bez okre­śle­nia o jakie ciało chodzi (masa, ładunek), nie możemy mówić o wartości siły.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://nowaalchemia.blogspot.com/ zacie­ka­wiony

        ciało o wadze 2 ug może być nała­do­wane najwyżej sta­tycz­nie.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • drewno

        Dlatego sprawa ma się inaczej cwa­niaczku

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Dlatego o tym napi­sa­łem w artykule, cwa­niaczku.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pops

    Bardzo dobry tekst Panie Adamie. Mam tylko jedno pytanie, na studiach zaczęto nam w pewnym momencie przy­po­mi­nać, że gra­wi­ta­cja nie powinna być nazywana siłą, a poten­cja­łem. Jakby się Pan do tego odniósł? Może Pan powie­dzieć na czym polega ta zmiana w nazew­nic­twie?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Nie wiem, bo się z tym nigdy nie spo­tka­łem. Oso­bi­ście, for­mal­nie używam terminu: oddzia­ły­wa­nia pod­sta­wowe, a tylko dla ubar­wie­nia języ­ko­wego mówię o “siłach”.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Kuba

      To nawią­zuje do tego o czym tu cały czas piszę: siłę masz między dwoma (lub więcej) ciałami. Masa wytwarza pole gra­wi­ta­cyjne. Pytanie: jaka jest siła gra­wi­ta­cji na powierzchni Ziemi? Tu nie ma jed­no­znacz­nej odpo­wie­dzi, można też powie­dzieć, że pytanie jest źle zadane. Siła dzia­ła­jąca na mnie jest większa niż na kilo­gra­mowy kamień, a mniejsza niż na tonowy ciężar. Ale poten­cjał (60 MJ/kg) lub natę­że­nie (9,8 m/s^2) pola gra­wi­ta­cyj­nego na powierzchni Ziemi już można podać.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0