Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Азбука Вселенной. 1. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия.

      Много уже постов написал с меткой Физика на пальцах. Не менее сотни. Но все как-то вразнобой, перескакивая с одной на порой весьма далекую от нее другую тему. Захотелось их систематизировать, поправить и, разумеется, пополнить. Чем и займусь.

      Начну с азбуки Вселенной, под коей подразумеваю типы взаимодействия вещества, поля и частицы. Разумеется, в самом общем виде. Так, чтобы у читателя возник некий Образ, не отягощенный деталями. Такой, какой есть о своем авто у большинства его водящих и, тем не менее, детально не знающих, как оно реально работает.

      В этом псто опишу основные характеристики гравитационного и электромагнитного взаимодействий вещества. Включая и сравнение этих характеристик. Следующий пост посвящу сильному (ядерному) и слабому взаимодействиям. Затем пойду дальше...

  С гравитационным взаимодействием человек знаком испокон веков. Но способ количественного его описания первым придумал Ньютон лишь в 17-м веке. Оно оказалось весьма простым - сила взаимодействия (притяжения) двух точечных масс m1 и m2 прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними:

                                                                       Fg = G * m1 * m2 / R 2,                                   (1)

где G - некий коэффициент (гравитационная постоянная).

      Поскольку формула (1) не ссылается на какую-либо субстанцию между массами m1 и m2, то она подразумевает наличие между ними некоего актора, действующего на обе массы и которое принято называть гравитационным полем, создаваемого обеими этими массами. Но введение понятия поля никакой ясности в природу гравитационного взаимодействия не вносит. Облегчая жизнь лишь решающим прикладные задачи физикам.

      Иной подход придумал Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО), уйди от понятий сил и поля и сведя задачу описания гравитационного взаимодействия к описанию деформации пространства-времени присутствующими в нем массами. Разумеется, в нерелятивистском пределе (массы движутся со скоростями много меньшими скорости света) и в системах с не слишком большими массами, теория Эйнштейна сводится к теории Ньютона.

      В 18-19 веках была экспериментально исследована и построена адекватная классическая теория электромагнитного взаимодействия (Максвелл, 1860). В простейшем случае электростатики сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов q1 и q2 оказалась математически идентичной силе гравитационного взаимодействия двух точечных масс (Кулон):

                                                                       Fe = k * q1 *q2 / R 2,                                        (2)

где k - некий коэффициент (k = 1 в системе СГС).

      В формулах (1) и (2) не фигурирует никаких расстояний, за пределами которых взаимодействие практически исчезает. Это говорит об одинаковой степени дальнодействия гравитационных и электрических сил. На этом сходство заканчивается и начинаются принципиальные различия. Из коих упомяну основные:

1. Массы (гравитационные заряды) могут иметь только один (положительный) знак. И гравитационное взаимодействие может быть только притяжением этих масс. Электрические заряды могут иметь и одинаковые и разные знаки. В первом случае имеет место отталкивание зарядов, во втором - притяжение.

2. Движение гравитационных зарядов (масс) не генерирует никаких дополнительных сущностей. Движение электрических зарядов (электрические токи) генерируют магнитное поле, влияющее на движение электрических зарядов. Магнитных зарядов в природе не существует и потому все силовые линии магнитных полей замкнутые (не имеют концов). В отличие от силовых линий электрических полей, которые могут начинаться (оканчиваться) на электрических зарядах, уходить в бесконечность и быть замкнутыми.

3. Интенсивности гравитационного и электромагнитного взаимодействий различаются настолько существенно, что соответствующее количественное различие имеет качественные следствия. Оценим это количественное различие для двух протонов:

                                                   Fg/Fe = G*mp*mp/(k*qp*qp) = 0,8 * 10 (-36).

Для двух протонов сила гравитационного взаимодействия на 36 порядков слабее силы электростатического взаимодействия! А для взаимодействующих в атоме водорода протона и электрона (масса электрона почти в 2000 раз меньше, чем у протона) слабее аж на 39 порядков! Теперь понятно, почему при изучении любых процессов в микромире никто гравитационные поправки не учитывает...

4. В квантовой физике при рассмотрении природы взаимодействия реальных частиц принято искать и называть частицу-агента этого взаимодействия. В квантовой электродинамике (КЭД) такой частицей является продольный фотон, у которого вектор электрического поля параллелен направлению его распространения (у обычного фотона вектор электрического поля перпендикулярен направлению его распространения). У обычного (поперечного) и продольного фотонов спин (внутренний момент количества движения) равен 1 (векторные частицы). Но продольный фотон в отличие от обычного является виртуальной частицей, то есть, в экспериментах он не наблюдаем.
По аналогии с КЭД гравитационное взаимодействие должно тоже обеспечиваться некоей частицей-агентом, которую обычно называют гравитоном. Спин которой, если строить квантовый аналог ОТО, должен быть равен 2 (тензорная частица). Но адекватная квантовая теория гравитации до сих пор не построена. И вряд ли в обозримом будущем будет построена (причину опишу в отдельном псто). Тем не менее, изучение поляризации гравитацйионных волн, возникающих при слиянии черных дыр звездных масс, показало, что в этих волнах векторная (спин = 1) и скалярная (спин = 0) поляризации гравитационных волн отсутствуют. Это говорит о том, что эйнштейновская ОТО, в которой пока мифический гравитон предполагается тензорной (спин = 2) частицей, вполне может служить базой построения теории квантовой гравитации.

      Надеюсь, что этот набор сведений создает минимально необходимый Образ гравитационного и электромагнитного взаимодействий. А на все возникающие неясности и сомнения отвечу в комментариях.


Tags: Вселенная, Физика на пальцах
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • Первый землепроходимец...

    Хронотелескоп истории Земли работает непрерывно и эпизодически выдает очередную сенсацию. Он, к примеру, разглядел следы кого-то, ползающего…

  • Надолго ли придёт Мишустин?

    История постсоветской России насчитывает не менее десятка премьеров. Почти половина из них были краткосрочными (Кириенко, Степашин, Христенко,…

promo moralg март 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 23 comments