Гравитационное взаимодействие частиц

В предыдущей статье мы начали рассматривать силы взаимодействия, действующие между частицами. Продолжаем, и в этой статье рассмотрим гравитационное взаимодействие частиц — последнее взаимодействие в списке, но не последнее по своей значимости.

Гравитационное взаимодействие частиц

Гравитационное взаимодействие (или гравитационная сила или просто гравитация) действует между всеми частицами и античастицами. Но в условиях микромира эта сила невероятно слаба (приблизительно в 1040 слабее ядерной силы). Поэтому она не принимает участия в образовании ядер атомов, молекул, пород, малых планет и спутников.

Гравитационное взаимодействие частиц ярко проявляет себя только при формировании планет, звезд и вообще всех тел, состоящих из более чем 1046 элементарных частиц. Диаметр этих тел составляет от 500 км и больше.

Сила гравитационного взаимодействия притягивает все частицы тела друг к другу (так называемая сила собственного притяжения). Она стремится придать телу круглую форму. У тел, диаметр которых всего лишь несколько десятков километров, собственное притяжение недостаточно для нарушения кристаллической структуры тела.

В телах диаметром более 500 км, сила собственного притяжения преодолевает электрическую силу в кристаллах, твердая материя становится податливой, и тело приобретает шарообразную форму.

Гравитационное взаимодействие частиц - существенно действует на большие тела
Небольшие тела связаны между собой электромагнитной силой, большие — силой взаимного тяготения.

Поэтому Луна (ее диаметр 3476 км) имеет шарообразную форму, в то время как малые планеты и малые спутники (например, спутники Марса Фобос и Деймос) представляют собой скалы неопределенной формы.

Гравитационное взаимодействие является самой распространенной силой взаимодействия, т.к. действует между двумя любыми частицами. На Земле мы называем ее земным тяготением, потому что благодаря ей все тела на Земле обладают тяжестью. Эта сила удерживает нас на поверхности Земли, иначе мы улетели бы в космическое пространство.

Каждый нуклон Земли а их около 1051, притягивает каждый нуклон нашего тела (приблизительно 1029). В общей сложности это составляет 1080 очень слабых сил, благодаря которым мы притягиваемся к Земле.

Гравитация играет на Земле важную роль.

Когда воздух нагревается и поднимается вверх, его место занимает холодный тяжелый воздух. Так возникает ветер.

В поднимающемся воздухе водяные пары конденсируются в капельки и образуют облака. Капельки растут и наконец падают на Землю в виде дождя. Между дождевой каплей и Землей действует сила гравитации, поэтому капля падает на Землю. Капли сливаются в ручьи, ручьи — в речки, те в свою очередь в многоводные реки, которые устремляются к морю, потому что их притягивает Земля.

Без гравитации не мог бы гореть огонь, так как горячий воздух не поднимался бы вверх от Земли, т.е. в противоположном тяготению направлении. Вместо горячего, поднимающегося вверх воздуха, в огонь проникает тяжелый холодный воздух, и что особенно важно, насыщенный кислородом, так что горение (окисление) может продолжаться.

Вы, видимо, обращали внимание на то, что каменщики строят дом, пользуясь отвесом? Веревка, на конце которой прикреплен груз, точно указывает направление притяжения.

Природа давным давно научила растения расти вертикально под влиянием силы земного тяготения. Это свойство растений называется геотропизм. Человека природа наделила органом, находящимся во внутреннем ухе (улитка), в виде маленьких кристалликов, который помогает нам ходить и стоять вертикально, по направлению силы тяготения.

Для точности заметим, что между земной гравитацией и земным притяжением существует небольшое различие. Если бы наша Земля не вращалась, то направления земной гравитации и земного тяготения абсолютно совпадали бы. Но в результате вращения Земли возникает центробежная сила, которая несколько отклоняет направление гравитации.

Отклонение силы земного притяжения из-за вращения Земли
Незначительное отклонение направления силы гравитации (зеленая стрелка) от направления силы земного притяжения (белая стрелка) обусловлено центробежной силой, возникающей при вращении Земли.

Мы не осознаем это несущественное отклонение.

В космическом пространстве сила гравитации является самой главной. С ее помощью из бесформенных облаков газа возникли галактики, звезды, планеты и большие спутники, она придала им определенную форму. Сила гравитации разогрела родившиеся звезды, чтобы в них могли протекать термоядерные реакции.

Вращение планет и комет вокруг Солнца, спутников — вокруг планет, полет искусственных спутников и космических станций — все это обусловлено гравитационным взаимодействием.

Вращение Солнечной системы, звезд, туманностей, межзвездного вещества и звездных скоплений вокруг центра Млечного Пути — результат силы гравитации, которая способствует притяжению всех элементарных частиц (приблизительно 1069), из которых состоит Млечный Путь.

Исаак Ньютон

Первым, кто точно рассчитал силу тяготения, был Исаак Ньютон. Представим себе два тела массой m1 и m2 килограммов, которые находятся на расстоянии r метров друг от друга. По закону Ньютона оба тела притягиваются друг к другу с силой F, выраженной в единицах Н (ньютон), которая равна:

F = 6.7*10-11*(m1*m2)/r2

По закону Ньютона сила тяготения пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Сила взаимодействия первого тела на второе равна силе притяжения второго тела к первому. Обе силы действуют в направлении, соединяющем эти тела по прямой. Закон Ньютона позволил нам определить массу Солнца и других небесных тел.

Гравитация — кривизна пространства

Общая теория относительности определяет гравитацию как кривизну пространства вокруг тел.

Земля обладает сравнительно небольшой массой, и кривизна пространства вокруг нее незначительна. Поэтому в данном случае вполне применим упомянутый закон всемирного тяготения Ньютона.

Гравитация искривляет пространство
На плоскости параллельно движутся две двухмерные фигуры — их расстояние останется одинаковым. На поверхности шара они также движутся сначала параллельно (от экватора по меридианам), а затем все более сближаются, как будто между ними действует сила притяжения. Подобным образом можно посредством кривизны пространства объяснить, что такое гравитация.

Вокруг звезд, коллапсировавших в чрезвычайно малые объемы, искривление пространства настолько велико, что вместо закона Ньютона необходимо использовать общую теорию относительности, т.е. теорию тяготения Эйнштейна. Это сложные соотношения, которые определяют зависимость кривизны пространства (пространство — время) от плотности коллапсировавших звезд.

Гравитация имеет решающее значение не только при формировании больших тел и их систем, но и при их эволюции. Она была важнейшей силой при рождении сверхгалактик, галактик и звезд.

В статьях посвященных эволюции Вселенной мы узнаем, что гравитация приводит и к смерти звезд. От нее зависит судьба всей Вселенной, ведь гравитация замедляет ее расширение до тех пор, пока оно совсем не прекратится.

В результате гравитационного взаимодействия между всеми галактиками произойдет сжатие Вселенной, которое приведет к Большому коллапсу, в котором прекратится существование всех галактик, звезд, планет, спутников, всех молекул, атомов и атомных ядер. В условиях высоких давлений и температур должен произойти полный распад всех тел во Вселенной на отдельные элементарные частицы.

Итоги статьи «Гравитационное взаимодействие частиц»

В этой статье, мы с Вами кратко рассмотрели силу гравитационного взаимодействия частиц. Теперь мы знаем, что гравитационное взаимодействие — самое распространенное взаимодействие во вселенной, все крупные тела во вселенной подвержены гравитационному взаимодействию и чем больше тело, тем больше оно подвержено влиянию гравитации.

Также мы уяснили, что действие силы гравитации распространяется на громадные расстояния.

Гравитация формирует внешний вид крупных небесных тел, позволяет планетам удерживать атмосферу, а нам позволяет не улететь с поверхности Земли в космическое пространство.

Первым из известных нам учёных силу гравитации открыл Иссаак Ньютон, а позже более глубоко изучил и описал дополнительные особенности — Альберт Эйнштейн.

Итоги про взаимодействия элементарных частиц

В заключение подытожим основное, что нам известно о взаимодействии элементарных частиц из предыдущей и текущей статьи.

Слабое взаимодействие частиц происходит в их центре и ответственно за их распад. При нем возникают нейтрино четырех типов.

Ядерное или сильное взаимодействие, связывающее адроны, образует из протонов и нейтронов ядро атома. Оно действует в малом радиусе вокруг адронов (барионов и мезонов), но оно весьма мощное.

Источником электромагнитного взаимодействия между частицами служит электрический заряд. Электромагнитная сила связывает ядро и электроны в атом, атомы в молекулы, молекулы в кристаллы, скалы и малые небесные тела диаметром меньше 500 км. Под ее действием из молекул образуются органеллы, клетки, ткани, органы и организмы.

В то время как радиус действия слабого взаимодействия ограничивается необыкновенно малыми расстояниями в центре частиц (10-17м), сильное взаимодействие распространяется на расстояние одного ферми (10-15м) и участвует в образовании ядра в несколько ферми, электромагнитное взаимодействие обусловливает образование систем — начиная от атома и кончая малыми планетами и спутниками — т.е. от 10-10м (десятимиллионная милиметра) до пятисот километров. Другими словами, от системы двух частиц (протона и электрона в атоме водорода) до систем 1046 частиц в малых планетах и спутниках.

Для большего количества частиц преобладающей силой взаимодействия становится гравитация. Структура больших планет, например, Земли (1051 частиц), звезд и других тел во Вселенной с количеством частиц более чем 1046, обусловлена и подчинена исключительно гравитации.

Оцените статью
Добавить комментарий