1. ZEMLJA I NJENO POREKLO

1.8. Fundamentalne sile u prirodi

„Ako bi na primer gravitaciona sila bila bilion puta jača, tada bi svemir bio mnogo manji, a njegova istorija postojanja kraća… Sa druge strane, da je gravitacija bila manje snažna, ne bi se nikada formirale ni zvezde, ni galaksije… Da je nuklearna sila bilo samo malo slabija, jedini stabilni element bio bi vodonik. Nikakvi drugi atomi ne bi mogli da postoje. Da je ona bila samo malo jača u odnosu na elektromagnetnu silu, tada bi atomsko jezgro, koje se sastoji samo od dva protona, bila stabilna odlika svemira, što bi značilo da ne bi postojao vodonik.“

   Majkl Denton (Michael Denton, 1943—), molekularni biolog

         Sudbina prirode: kako zakoni biologije otkrivaju svrhu svemira

Koliko fundamentalnih sila ima u prirodi?

Sile deluju svuda oko nas. Sve te sile se mogu svesti na četiri fundamentalne (osnovne) sile:

  • gravitaciona sila
  • elektromagnetna sila
  • jaka nuklearna sila
  • slaba nuklearna sila

Gravitaciona sila

Gravitaciona sila, iako najslabija među fundamentalnim silama, ima neverovatan značaj u kosmologiji. Uvek je privlačna i deluje između svih čestica. Zahvaljujući njoj galaksije i zvezde u svemiru ostaju u orbitama jedne sa drugima. Zemlja, kao i druge planete, ostaje u svojoj orbiti oko Sunca.

Njutnov zakon gravitacije* definiše da svaka čestica u svemiru privlači drugu česticu silom koja je direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njihovih centara. Matematički, ovaj zakon se opisuje jednačinom:   

F_{\text{g}}=G\dfrac{m_1\,^.\,m_2}{r^2} 

 G — gravitaciona konstanta (G=6.67^.10^{-11}\,\,\text{N\,m}^2\text{kg}^{-2} ),

m_1 i m_2  su mase tela, a r  je rastojanje među njima.

*Njutn (Newton) je ovaj zakon gravitacije formulisao 1687. godine u delu Matematički principi prirodne filozofije (Philosophiae naturalis principia mathematica).

Znamo da je gravitaciona sila privlačna. Postavlja se pitanje:

Da li je doprinos veći ili manji u kosmologiji ili u svetu elementarnih čestica?

Da bi na to odgovorili, izračunaćemo koliki je uticaj gravitacione sile među planetama, a koliki među elementarnim česticama (npr. protonima i elektronima)?

Kada se uporede gravitaciona sila između Zemlje i Meseca sa gravitacionom silom između protona i elektrona, vidljivo je da je gravitaciona sila između Zemlje i Meseca daleko veća od gravitacione sile među protonom i elektronom. Znači, gravitaciona sila ima mnogo veći uticaj u kosmologiji, nego u svetu elementarnih čestica, gde je gravitaciona sila gotovo pa zanemarljiva! 

Gravitaciona sila između

Zemlje (Z) i Meseca (M), čije su mase:

m_{\text{Z}}=6^.10^{24}\,\,\text{kg},

m_{\text{M}}=7.3^.10^{22}\,\,\text{kg}

i nalaze se na rastojanju od

r=3.8^.10^8\,\,\text{m}

F_{\text{g}}=G\dfrac{m_1\,^.\,m_2}{r^2}=20^.10^{20}\,\,\text{N}

Da li između Vas i vašeg prijatelja, dok razgovarate o gravitacionoj sili, postoji gravitaciona sila?

Da, postoji, ona deluje između svih čestica. Hajde da vidimo kolika je. Ako su masa Vas i Vašeg prijatelja npr. 50 kg, a nalazite se na rastojanju od 0.5 m, tada je gravitaciona sila:

F_{\text{g}}=G\dfrac{m_1\,^.\,m_2}{r^2}=0.00000067=6.7^.10^{-7}\,\,\text{N}.

Odkle, ona je jako mala, ali ipak deluje!

Elektromagnetna sila

Koja je sila veća: elektrostatička ili gravitaciona sila u atomu vodonika?

Kulonov zakon*

F_{\text{C}}=k\dfrac{q_1\,^.q_2}{r^2}

k=8.99^.10^9\,\,\text{N\,m}\,\text{C}^{-1}

q_1 i q_2 su naelektrisanja,

r  je rastojanje između naelektrisanja.

*Sile koje vladaju između tačkastih naelektrisanjem opisuju se Kulonovim zakonom.

 Njutnov zakon gravitacije

F_{\text{g}}=G\dfrac{m_1\,^.m_2}{r^2} 

G=6.67^.10^{-11}\,\,\text{N\,m}^2\,\text{kg}^{-2}

m_1 i m_2  su mase tela, a

r je rastojanje među njima.

 

*Sile koje vladaju između bilo koja dva tela opisuju se Njutnovim zakonom gravitacije.

Hajde da uporedimo elektrostatičku i gravitacionu silu za atom vodonika. 

\dfrac{F_\text{e}}{F\txt{g}}=\dfrac{k\dfrac{q_\text{e}\,^.\,q_\txt{p}}{r^2}}{G\dfrac{m_\text{e}\,^.\,m_\text{p}}{r^2}}

 

\dfrac{F_\text{e}}{F\txt{g}}=\dfrac{k}{G}^.\dfrac{q_\text{e}\,^.\,q_\text{p}}{m_\text{e}\,^.\,m_\text{p}} =2.3^.10^{39}

Elektron:

        q_\text{e}=-1.6^.10^{-19}\,\,\text{C}

         m_\text{e}=9.1^.10^{-31}\,\,\text{kg}

Proton:

q_\text{p}=+1.67^.10^{-19}\,\,\text{C}

m_\text{p}=1.67^.10^{-27}\,\,\text{kg}

Rastojanje između elektrona i protona:

r=0.5^.10^{-10}\,\,\text{m}

\dfrac{F_\text{e}}{F\txt{g}}=2.3^.10^{39}

\dfrac{F_\text{e}}{F\txt{g}}=2.3^.10^{39}

Kada se uporede elektrostatička sila i gravitaciona sila za atom vodonika, koga sačinjavaju proton i elektron, dobija se da je elektostatička sila između protona i elektrona veća od gravitacione sile, i to za oko 39 redova veličine (1039 ) na bilo kom rastojanju.

Jaka nuklearna sila

Jaka nuklearna sila je najjača sila u prirodi i deluje među česticama u atomskim jezgrima (protonima i neutronima). Ona je ta koja obezbeđuje da protoni i neutroni u jezgru atoma ostanu zajedno. Ovu silu gotovo i ne primećujemo u svakodnevnom životu. Razlog je taj što ona deluje na veoma malim rastojanjima, unutar jezgra atoma.

Razorno dejstvo jake nuklearne sile pokazalo se prilikom bombardovanja Hirošime i Nagasakija, avgusta 1945. godine, kada je ona oslobođena.

Slaba nuklearna sila

Slaba nuklearna sila ima uticaj samo na subatomskom nivou. Ona je odgovorna za ravnotežu između protona i neutrona u atomskim jezgrima. Naročito je izražen njen značaj u održavanju ravnoteže u jezgrima sa velikim brojem neutrona i protona.

Da nema ove sile, ne bi se mogli objasniti radioaktivni raspadi u jezgru. Ona je odgovorna za radioaktivno raspadanje subatomskih čestica i igra ključnu ulogu u nuklearnoj fisiji.

Fizika i fundamentalne sile prirode

Jedan od važnih ciljeva fizike je da ujedini četiri fundamentalne sile u prirodi, kao što je to uradio Maksvel (Maxwell)* za električnu i magnetnu silu. Fizičari su došli do zaključka da su slaba nuklearna sila i elektromagnetna sila pod određenim uslovima (velika energija), zapravo ista sila koja se naziva elektroslaba sila. Teorija koja pokušava da ih ujediniti naziva se teorija velikog ujedinjenja ili teorija svega.

*Džejms Klerk Maksvel (James Clerk Maxwell, 1831—1879), škotski fizičar, teorijski je dokazao da je svetlost elektromagnetna pojava. Njegove četiri jednačine, poznate pod nazivom Maksvelove jednačine, objašnjavaju jedinstvo električnog i magnetnog polja.

Nešto više o fundamentalnim silama:

License

Icon for the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License

UPOZNAJMO SVET I NAČINIMO GA BOLJIM ZA ŽIVOT Copyright © 2024 by University of Nova Gorica Press is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, except where otherwise noted.

Share This Book