Warum sprechen wir eher von der „Schwäche der Schwerkraft“ als vom „überraschenden Verhältnis von Ladung zu Masse der Teilchen“?

Die relative Stärke der Schwerkraft und der elektromagnetischen Kräfte ist offensichtlich – stellen Sie sich auf ein Blatt Papier, und selbst wenn die gesamte Erde an sich zieht, wird Ihre Bewegung durch die elektrischen Felder in diesem Blatt Papier gestoppt.

Groß.

Dies wird oft als "Schwerkraft ist die schwächste aller Kräfte" oder eine Variante davon formuliert. Dies scheint gleichbedeutend mit der Aussage "das Masse-zu-Ladung-Verhältnis von Grundteilchen ist so, dass die Ladung dominiert".

Mein Problem mit der Formulierung "Schwerkraft ist am schwächsten" besteht darin, dass verschiedene Teilchen unterschiedliche Masse-Ladungs-Verhältnisse haben: Laut diesem Diagramm auf Wikipedia variieren die Masse-Ladungs-Verhältnisse um mehr als 6 Größenordnungen, selbst wenn Sie dies ausschließen Massive neutrale Teilchen wie die Neutrinos, bei denen die Schwerkraft unendlich stärker ist .

Warum wird die Frage bei einer so breiten Palette von Masse-Ladungs-Verhältnissen normalerweise als Frage nach der Stärke der Kräfte formuliert? Warum zusätzliche Dimensionen für die Gravitation ins Spiel bringen (zum Beispiel), wenn man auch einen zusätzlichen Faktor von -5,588 × 10 ^ 6 zwischen Top-Quarks und Elektronen erklären muss? (Ich gehe davon aus, dass Unendlichkeiten anders erklärt werden, aber vielleicht nicht?)

(Ich hoffe, das ist kein Duplikat, meine Suche hat hauptsächlich viele Fragen vom Typ "Warum ist die Schwerkraft schwach?" gezeigt, worauf ich nicht neugierig bin - ich möchte wissen, warum eine solche Formulierung als die angesehen wird beste Art, über das Problem nachzudenken).

Antworten (4)

Der Vergleich von Kräften für Teilchen bringt uns zum quantenmechanischen Rahmen, dem zugrunde liegenden Rahmen der Natur.

Kräfte werden quantenmechanisch als Austausch von Teilchen in Feynman-Diagrammen dargestellt, und die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung folgt mathematisch daraus.

Hier ist zum Beispiel das Feynman-Diagramm für die gleiche Ladungsabstoßung:

ee-Streuung

Ein Physikstudent auf Hochschulniveau folgt aus diesem Diagramm einem Rezept, das zu einem berechenbaren Integral führt, und die Berechnung zeigt die Abstoßung gleicher Ladungen.

Die Stärke der Wechselwirkung tritt an den beiden Eckpunkten des Diagramms ein und ist durch die Kopplungskonstante gegeben .

Hier sind die Kopplungskonstanten der restlichen Wechselwirkungen.

em

schwach

stark

Schwere

In diesem Sinne wird die Schwerkraft als die schwächste aller Kräfte verglichen.

Das Diagramm der beiden Elektronen könnte den Austausch eines Gravitons darstellen, aber verglichen mit dem elektromagnetischen Austausch eines Photons ist die Wahrscheinlichkeit der gravitativen Wechselwirkung winzig: In das Integral gehen die Kopplungskonstanten multiplikativ ein und das Rechenrezept erhöht sie auf vierte Macht.

Dies ist der Rahmen, in dem alle bekannten Kräfte verglichen werden. Natürlich ist die Schwerkraft noch nicht streng quantifiziert, es gibt nur effektive Theorien, aber innerhalb dieser Theorie ist die Aussage, dass die Schwerkraft am schwächsten ist, klar ersichtlich.

Der Grund, warum man die Schwerkraft als „schwach“ bezeichnet, liegt darin, dass sie . Selbst wenn verschiedene Teilchen Masse-Ladungs-Verhältnisse von 6 Größenordnungen haben, beträgt das Verhältnis der Ladungskonstante (C) zur Gravitationskonstante (G) 20 Größenordnungen!

Diese Konstanten haben unterschiedliche Dimensionen, daher erscheint ein Vergleich ziemlich bedeutungslos. In SI-Einheiten das Verhältnis zwischen Coulombs konstant k e und die Gravitationskonstante G ist k e / G ≈ 1.3 × 10 20 k g 2 / C 2 . Aber in Planck-Einheiten G = k e = 1 so ist das Verhältnis k e / G = 1 .

Es gibt eine kleinstmögliche Ladung, auf die ein elektromagnetisches Feld eine Kraft ausübt. Es gibt keine elementare Masse, die wir mit der Gravitationskraft vergleichen könnten. Aber wenn man an subatomare Teilchen (die irgendwie die kleinsten Einheiten sind) denkt, wie Elektronen und Protonen, übersteigt die elektromagnetische Kraft die Gravitationskraft bei weitem (selbst bei sehr unterschiedlichen Massen). Die schwache und die starke Kernkraft wirken nur auf subatomare Teilchen, das ist wahrscheinlich der Grund, warum Sie alle Kräfte auf dieser subatomaren Skala vergleichen.

Man kann mit anderen Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen fortfahren, bei denen die elektromagnetischen Kräfte noch über einen großen Bereich dominieren (geladene Atome, Moleküle, ...). Wenn Sie makroskopische Objekte erreichen, erreichen Sie ein Gleichgewicht zwischen den Kräften (z. B. der Ballon haftet aufgrund einer statischen Aufladung an der Decke) und landen bei einem größeren Objekt, bei dem die Gravitationskraft dominiert (keine elektrostatische Aufladung hält Sie an einer Decke). .

Sie könnten argumentieren, dass es vergleichsweise schwach ist, da es im Gegensatz zu den anderen drei Kräften auf der Quantenskala völlig vernachlässigbar ist. Wenn, sagen wir, EM in diesem Ausmaß offensichtlich war, aber in einer seltsamen Welt weder die starken noch die schwachen Kernkräfte wirkten (wie die Schwerkraft), dann könnten wir EM als eine „starke“ Kraft beschreiben, anstatt die Schwerkraft als eine „schwache“. .

Warum sprechen wir eher von der „Schwäche der Schwerkraft“ als vom „überraschenden Verhältnis von Ladung zu Masse der Teilchen“?
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