Сторінка
2

Гравітаційна взаємодія

Маса світла

Астрономи давно виявили, що світло, яке проходить поблизу великих зір, має червонуватий відтінок. Сучасна теорія гравітації теоретично підтверджує цей факт.

Світло — це потік фотонів — частинок, що відповідають за передачу електромагнітної взаємодії. Фотони одночасно мають властивості хвилі і частинки а отже, мають і масу. А на будь-яке тіло, що має масу, діє гравітація. Фотон, що пролітає повз зорю, — тіло з величезною масою — потрапляє під дію її гравітаційного поля і, долаючи його, втрачає частину своєї енергії. Це позначається на частоті хвильових коливань фотона — вона знижується. Серед світлових фотонів найнижчу частоту мають ті, котрі ми бачимо як червоне світло. Звідси червоний відтінок світла, що проходить повз зорі. Цей ефект названий гравітаційним зміщенням частоти фотонів.

Гравітаційна взаємодія досліджена досить добре, проте її вивчення продовжується. Зокрема, фізиків дуже цікавить питання про вплив гравітації на виникнення таких дивних космічних об'єктів, як чорні діри.

Електромагнітна взаємодія

З електромагнітною взаємодією ми досить добре знайомі в повсякденному житті.

Один з відомих проявів електромагнітної взаємодії — притягання й відштовхування заряджених тіл. Наприклад, два електричних заряди qt і qг, що знаходяться на відстані r, притягаються (якщо вони різнойменні) або відштовхуються (якщо однойменні) із силою, що визначається законом Кулона

де k — коефіцієнт, що дорівнює 9 109 Нм2/Кл2.

Цей закон взаємодії електричних зарядів дуже схожий на закон гравітаційної взаємодії: там сила взаємного тяжіння тіл прямо пропорційна добуткові їхніх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними Обидві взаємодії, електромагнітна й гравітаційна, належать до числа далекодіючих Вони виявляються на будь-якій відстані. Однак ці взаємодії дуже сильно розрізняються за своєю інтенсивністю.

Порівняємо, наприклад, силу гравітаційного притягання (Fгр) двох протонів, що знаходяться на відстані 2·10-13 см (на такій відстані вони розташовані в атомному ядрі) із силою їхнього електростатичного відштовхування (Fел). Знаючи масу й електричний заряд протона, легко обчислити, що: F =5 10-35Н,

Fгр = 5 10-35Н,

Fел=60H

Тобто електростатична взаємодія двох протонів приблизно в 1036 разів сильніша, ніж їхня гравітаційна взаємодія, причому це співвідношення справедливе при будь-якій відстані між протонами.

У випадку, якби ми для порівняння взяли не два протони, а протон з електроном, то розходження зросло б ще приблизно в 2000 разів, а якби взяли два електрони, то в 4 000 000 разів.

Чому ж, зіштовхуючись з електростатичною взаємодією в житті, ми не помічаємо цієї її величезної сили; навпаки, у нас складається враження, що електростатична взаємодія набагато слабкіша за гравітаційну?

Це пояснюється двома причинами. По-перше, гравітаційні ефекти, які ми спостерігаємо, визначаються величезною масою Землі. По-друге, у гравітаційній взаємодії беруть участь усі без винятку атоми всіх тіл, тобто усі нейтрони, усі протони й електрони, із яких ці атоми складаються. Між тим у повсякденному житті ми ніколи не бачимо повного прояву електростатичних тіл. У макроскопічному шматку речовини майже всі позитивні і негативні заряди компенсують один одного, тому що вони пов'язані в електрично нейтральні системи — атоми. Ефект взаємодії наелектризованих тертям предметів, наприклад, обумовлений лише незначним надлишком (або браком) однойменного заряду в порівнянні із загальною кількістю зв'язаних зарядів у цих предметах. Ці невеликі надлишки зарядів і впливають на весь шматок речовини, наприклад надають йому прискорення. Зрозуміло, що через велику масу нейтральних атомів із взаємно компенсованими зарядами прискорення макротіла буде невеликим. Тільки в мікросвіті, Де кожен заряд працює «винятково на себе» (тобто на масу тієї елементарної . частинки, із якою він електростатично зв'язаний), ці сили виявляються повною мірою. Цікаво, що якби оточуючі нас предмети складалися не з нейтральних атомів, а хоча б з однозарядних іонів (тобто атомів, що мають один позитивний або негативний заряд), то електростатична взаємодія між ними була б надзвичайно великою. При цьому досить «перетворити» на однозарядні іони лише невелику частку атомів.

Наприклад, між двома макротілами існуватиме електромагнітна взаємодія, сила якої дорівнює силі їхньої гравітаційної взаємодії, якщо в них перетворити на іони всього 1/1018 частини атомів. У 1 см3 будь-якої твердої речовини міститься в середньому 5 • 1022 атомів. З них треба іонізувати всього 50 000. Ця кількість міститься в кубику з ребром 0,01 мкм. Навіть якщо розподілити всі ці іони в одноатомному шарі (завтовшки 10+8 см), то й тоді площа ділянки шару, зайнятого іонами, складе всього 10-10 см2, тобто 0,01 мкм2. От яка мізерна кількість іонів може повністю компенсувати гравітацію!

Крім електростатичного притягання (або відштовхування) електричних зарядів за законом Кулона, існує ще багато видів електромагнітної взаємодії. Електромагнітна взаємодія, наприклад, визначає хімічні, пружні сили й сили тертя, випромінювання електромагнітних хвиль і багато чого іншого. Однак описання цих ефектів виходить за рамки програми цього реферату. Тут ми лише трохи докладніше опишемо деякі особливості проявів електромагнітної взаємодії у мікросвіті На щастя, сучасна наука дає нам таку можливість, адже з усіх видів взаємодій електромагнітна взаємодія вивчена найповніше.

Відповідно до квантової електродинаміки, будь-який електричний заряд оточений електромагнітним полем, із яким він взаємодіє. У результаті цієї взаємодії випускаються або поглинаються фотони — елементарні частинки, які безпосередньо здійснюють електромагнітну взаємодію. В атомі немає фотонів у готовому вигляді, вони виникають безпосередньо в момент їхнього випускання, а виникнувши, завжди рухаються зі швидкістю світла.