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

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 гравитационных 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: moralg, Университет сообщества, Фантазии на тему
Subscribe
promo otrageniya апрель 14, 06:25 62
Buy for 40 tokens
Привет всем участникам Отражений и нашим гостям! С настоящего момента вступают в силу изменения в правила, поэтому прошу авторов ознакомиться с нижеследующим. 1. Каждый участник может опубликовать один пост в день. Чтобы иметь возможность публиковать до трех тем в день, участник должен соблюсти…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 102 comments