Kütle Çekimi Varsa Neden Tüm Cisimler Birleşmiyor?
madem ki kütle çekimi var neden tek kütle yok gibi bir soru, evrendeki tek kuvvet kütle çekimi olmadığı için diye cevaplanması gereken sorudur.
aşağıdaki resimde evrendeki dört temel kuvveti bulabilirsiniz. gördüğünüz gibi evrendeki en zayıf kuvvet aslında kütle çekim kuvvetidir.
diğer kuvvetler ise güçlü atom altı kuvvet, coulomb kuvveti ve zayıf atom altı kuvvettir.
bir molekülün sahip olduğu sıcaklık ile boltzmann sabitinin çarpımı bildiğiniz gibi molekülün/atomun kinetik enerjisini verir. bu yazıyı okuduğunuz odadaki hava içindeki moleküller de bu kurala tabidir.
kinetik enerjileri yüksek yoğunlukları ise düşük olan bu moleküller termodinamik denge koşulları altında farklı hızlarda birbirlerine çarpıp dururlar. biz boyut olarak bu molekül bazındaki bu moleküllerden o kadar büyüğüz ve çarpışma sayıları o kadar yüksek ki aralarındaki hız farkını hissedemeyiz ve bu çarpışmaların toplamını tek bir kuvvetmiş gibi algılarız ki bu kuvvete de hava basıncı deriz.
tabii, çarpışma dediğimi aslında fiziksel bir temas gibi algılamayın. bildiğiniz gibi molekülün çevresinde elektronlar, merkezde ise atomlar var. bir atomdaki nötron ya da proton ise bir elektrondan yaklaşık 1836 kat daha fazla kütleye sahiptir. oda sıcaklığındaki moleküler bir azot veya oksijen molekülünün ortalama hızı yaklaşık 500 m/s’dir ve denge durumunda saniyede 10 milyar kere birbirlerine çarpıp dururlar.
bu çarpışmayı tetikleyen birkaç unsur vardır
1) gaz sıcaklığı ki bu gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisidir. sıcaklık arttıkça moleküllerin birbirlerine çarpma sıklığı artar.
2) gaz yoğunluğu, yoğunluk arttıkça moleküllerin birbirlerine çarpmadan kat edebilecekleri toplam mesafe azalır.
3) gaz basıncı, birim zamandaki molekül çarpışma sayısına bağlı olup sıcaklık veya yoğunluk arttıkça artarlar.
4) kütle çekim kuvveti, moleküllerin sahip oldukları kütle nedeniyle birbirlerine yaklaşmalarını anlatır.
5) coulomb etkileşimi, kütle çekimi molekülleri çekerken, molekül/atomların dış çeperlerinde bulunan elektronların birbirlerini itmesi nedeniyle çarpışmalar lineer değil parabolik bir yol izler.
a) şimdi eğer sıcaklığı düşürüp yoğunluğu artırsak ne olur?
moleküllerin ortalama kinetik enerjilerini düşürmüş ve aralarındaki toplam mesafeyi daraltmış oluruz. bu durumda gazlarda ihmal ettiğimiz moleküller arası kuvvetler baskın hale gelir ve bingo! artık gaz fazından sıvı ya da katı faza geçtiniz demektir.
b) eğer sıcaklığı artırıp yoğunluğu düşürürsek ne olur?
moleküllerin arasındaki mesafeyi artırıp hızlarını artırmış oluruz. daha hızlı çarparlar birbirlerine ama hızları arttığı için, kütle çekiminin etkisini kaybettiğini görürüz. ideal gaz denkleminin en iyi çalıştığı aralıktır.
bu iki sorunun cevabından da şuraya varırız
siz basıncı artırdıkça moleküller arasındaki kütle çekim kuvvetinin etkisini kırabilmek, yani sıvı/katı halden gaz fazına geçebilmek için daha fazla moleküler kinetik enerji yani daha yüksek sıcaklığa ihtiyaç duyarsınız.
birçok translational dengesizlik modelinde temel varsayım aslında bu çarpışmaların lineer olduğu üzerinedir. oysa ki, kütle çekim etkisi sıcaklığa yenildiği bu durumda çarpışmalar arasındaki parabolik yörünge artan coulomb etkileşimi nedeniyle artar. eğer molekülün sıcaklığını yeteri kadar yükseltirseniz sonunda elektron kaybedip eksi ve artı yüklü parçacıklardan oluşan plazma fazına geçecektir.
kimisinin maddenin dördüncü hali dediği plazma aslında maddenin ilk halidir. moleküller sıcaklık kaybettikçe coulomb kuvveti baskın hale gelmiş atom kaybettiği elektronuna kavuşmuştur.
eğer lineere yakın gaz çarpışmaları isteniyorsa, artan sıcaklık coulomb kuvvetini yenecek, bunun için de düşük yoğunluk ortamı gerekecektir. böylece lineere yakın bir çarpışma path’i oluşur.
kısacası
evrendeki bütün maddenin kütle çekimi ile birleşmemesinin temel nedeni doğada kütle çekiminden başka kuvvetler de olması ve bunların hepsinin de yerçekiminden daha kuvvetli olmasıdır.