Вопрос о том, насколько сильна гравитация между отдельными элементарными частицами, часто возникает в обсуждениях, связанных с квантовой физикой и астрофизикой. На первый взгляд кажется, что гравитация – самая слабая из фундаментальных сил, но стоит проверить эту гипотезу расчётами и сравнить её с другими взаимодействиями.
Фундаментальные взаимодействия
Существует четыре фундаментальных силы, которые определяют поведение материи:
- Сильное взаимодействие – удерживает кварки внутри нуклонов и нуклоны внутри ядер.
- Электромагнитное взаимодействие – отвечает за взаимодействие зарядов, химические связи и свет.
- Слабое взаимодействие – отвечает за β‑распады и другие процессы, меняющие тип частицы.
- Гравитация – притягивает все тела с массой.
Сила гравитационного взаимодействия
Для двух точечных масс m₁ и m₂, разделённых расстоянием r, гравитационная сила определяется законом Ньютона:
Fg = G·(m₁·m₂) / r², где G ≈ 6,674·10⁻¹¹ м³·кг⁻¹·с⁻².
Пример расчёта
Возьмём два протона (масса ≈ 1,67·10⁻²⁷ кг) на расстоянии 1 фемтометра (10⁻¹⁵ м) – типичное расстояние внутри атомного ядра.
F_g ≈ 6,674·10⁻¹¹·(1,67·10⁻²⁷)² / (10⁻¹⁵)² ≈ 1,9·10⁻⁴⁶ Н
Сравним с электростатической силой Кулона между теми же протонами (запретный знак, потому что они одинаково заряжены):
F_e = k·(e²) / r², k≈8,99·10⁹ Н·м²·C⁻², e≈1,60·10⁻¹⁹ C F_e ≈ 2,3·10⁻⁹ Н
Электромагнитная сила почти 10³⁷ раз сильнее гравитационной. Аналогичный разрыв наблюдается и со сильным и слабым взаимодействиями.
Когда гравитацию можно пренебречь?
В большинстве экспериментов по физике элементарных частиц (коллайдеры, спектроскопия, атомные часы) гравитационное взаимодействие полностью игнорируется по двум причинам:
- Сила гравитации между отдельными частицами невероятно мала.
- Электромагнитные и ядерные силы в тех же условиях оказывают влияние, превышающее гравитацию на десятки порядков.
Случаи, когда гравитация становится значимой
Несмотря на свою слабость, гравитация не исчезает полностью. Существует несколько областей, где её влияние нельзя игнорировать:
- Астрономические масштабы: Суммарные массы планет, звёзд и галактик создают гравитационные поля, определяющие орбиты и динамику систем.
- Нейтронные звёзды и чёрные дыры: При плотностях порядка 10¹⁷ кг·м⁻³ гравитация сравнима с ядерными силами, формируя экстремальные состояния материи.
- Космология: В ранней вселенной (период Planck) гравитация могла быть столь же сильна, как и остальные взаимодействия – это одна из причин, почему ищут единую теорию квантовой гравитации.
- Эксперименты с макроскопическими квантовыми объектами: При охлаждении микроскопических кристаллов до микроскопических размеров и их размещении в сверхчувствительных детекторах гравитационное притяжение может стать измеримым.
Перспектива квантовой гравитации
В теоретической физике существует попытка описать гравитацию в терминах квантовых частиц – гравитонов. Пока экспериментальных подтверждений нет, но исследователи из МГУ, Стокгольмского университета и других институтов работают над методами обнаружения гипотетических гравитонов и изучения их взаимодействий.
Ответ на вопрос «Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало да или нет?» таков:
- Для отдельных элементарных частиц (протонов, электронов, кварков) гравитация действительно пренебрежимо мала по сравнению с другими фундаментальными силами.
- Для массовых систем (звёзд, планет, космологических масштабов) гравитация доминирует и определяет структуру Вселенной.
- В условиях экстремальной плотности (нейтронные звёзды, ранняя Вселенная) гравитация может стать столь же важной, как сильное и электромагнитное взаимодействия.
Таким образом, в микромире гравитацию можно с полной уверенностью считать несущественной, тогда как в макромире она является основной силой, формирующей структуру и динамику всех небесных объектов.
Полезные ссылки
- Гравитация – Википедия
- Электромагнитное взаимодействие
- Сильное взаимодействие
- Слабое взаимодействие
- arXiv – предпринятые статьи о квантовой гравитации
Если у вас возникнут дополнительные вопросы о гравитации или других фундаментальных взаимодействиях, смело задавайте их в комментариях!