Вивчивши загальне уявлення про фундаментальне взаємодії, в цьому розділі розглянемо фундаментальні взаємодії в макросвіті.
гравітаційна взаємодія
Гравітація (від лат. Gravitas - «тяжкість») - універсальне фундаментальне взаємодія між усіма матеріальними тілами.
Гравітація першим з чотирьох фундаментальних взаємодій стала предметом наукового дослідження. У наближенні малих швидкостей і слабкого гравітаційного взаємодії описується теорією тяжіння Ньютона, яка дозволила вперше усвідомити справжню роль гравітації як сили природи; в загальному випадку описується загальною теорією відносності Ейнштейна.
Гравітаційна взаємодія характерно для всіх матеріальних об'єктів незалежно від їх природи. Будь-яка частка знаходиться під дією гравітаційної сили, величина якої залежить від маси і енергії частинки.
Гравітаційна взаємодія не виявляється в мікросвіті. Воно проявляється в макросвіті і, особливо, в мегамире, граючи першорядну роль в структурі останнього.
Отже, гравітаційна взаємодія полягає у взаємному тяжінні тіл і визначається законом всесвітнього тяжіння: між двома точковими тілами діє сила тяжіння, прямо пропорційна добутку їх мас m і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними.
F = G m1 m2 / r 2,
де G - гравітаційна стала, G = 6,673 · 10-11 Н · м2кг2.
Для дуже великих тел або ж не мають певної форми цей вислів приймає більш складний вид.
Гравітаційною взаємодією визначається падіння тіл в полі сил тяжіння Землі.
Законом всесвітнього тяжіння описується рух планет сонячної системи, нашої Галактики - Чумацького Шляху, а також інших макрооб'єктів. Передбачається, що гравітаційна взаємодія обумовлюється якимись елементарними частинками. Такі гіпотетичні частинки називають гравітонами. Гравітон не володіє власною масою і тому переноситься їм сила є дальнодействующей. Гравітаційна взаємодія між Сонцем і Землею пояснюється тим, що частинки, з яких складаються Земля і Сонце, обмінюються гравітонами. Незважаючи на те, що в обміні беруть участь лише гіпотетичні частинки, створюваний ними ефект, безумовно, піддається виміру, тому що цей ефект - Земля обертається навколо Сонця. Реальні Гравітон поширюються у вигляді хвиль, але вони дуже слабкі і їх важко зареєструвати, тому існування їх до теперішнього часу експериментально не підтверджено.
Гравітація - це дуже слабка сила, яку ми взагалі не помітили б, якби не її специфічні властивості, що відрізняють її від інших фундаментальних взаємодій: гравітаційні сили діють на великих відстанях і завжди є силами тяжіння.
Гравітаційна взаємодія в класичному уявленні в процесах мікросвіту суттєвої ролі не грає. Однак в макропроцессах йому належить визначальна роль.
Найбільш дивною особливістю гравітації є її мала інтенcівность. Гравітація є найслабшим з чотирьох типів фундаментальних взаємодій. Гравітаційна взаємодія в 1039 разів менше сили взаємодії електричних зарядів. Однак, оскільки воно діє на будь-яких відстанях, і все маси позитивні, це, тим не менш, дуже важлива сила у Всесвіті.
Зокрема, електромагнітне взаємодія між тілами на космічних масштабах мало, оскільки повний електричний заряд цих тіл дорівнює нулю (речовина в цілому електрично нейтрально). Також гравітація, на відміну від інших взаємодій, універсальна в дії на всю матерію і енергію. Чи не виявлені об'єкти, у яких взагалі було відсутнє б гравітаційна взаємодія.
Як може таке слабке взаємодія виявитися панівною силою у Всесвіті?
Вся справа в другій дивовижною межах гравітації - її універсальності. Ніщо у Всесвіті не може уникнути гравітації. Кожна частинка відчуває на собі дію гравітації і сама є джерелом гравітації, викликає гравітаційне тяжіння. Гравітація зростає в міру освіти все більших скупчень речовини. І хоча тяжіння одного атома дуже малий, але результуюча сила тяжіння з боку всіх атомів може бути значною. Це проявляється і в повсякденному житті: ми відчуваємо гравітацію тому, що всі атоми Землі спільно притягають нас.
Гравітаційна взаємодія прямопропорційно масі взаємодіючих тіл. Через малість маси елементарних частинок гравітаційна взаємодія між частинками невелика в порівнянні з іншими видами взаємодії, тому в процесах мікросвіту це взаємодія несуттєво. При збільшенні маси взаємодіючих тіл (тобто при збільшенні числа містяться в них частинок) гравітаційна взаємодія між тілами зростає прямо пропорційно їх масі.
Гравітація дальнодействием сила природи. Це означає, що як би масивне тіло ні рухалося, в будь-якій точці простору гравітаційний потенціал залежить тільки від положення тіла в даний момент часу.
У макросвіті при розгляді руху планет, зірок, галактик, а також руху невеликих макроскопічних тел в їх полях гравітаційна взаємодія стає визначальним.
Великі космічні об'єкти - планети, зірки і галактики мають величезну масу і, отже, створюють значні гравітаційні поля.
Завдяки дальнодействием гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини: вона утримує планети на орбітах, зірки в галактиках, галактики в скупченнях, скупчення в Метагалактиці.
Через глобальне характеру гравітація відповідальна і за такі великомасштабні ефекти, як структура галактик, чорні діри і розширення Всесвіту, і за елементарні астрономічні явища - орбіти планет, і за просте тяжіння до поверхні Землі і падіння тел. Воно утримує атмосферу, моря і все живе і неживе на Землі, Землю, що обертається по орбіті навколо Сонця, Сонце в межах Галактики.
Гравітаційна взаємодія грає головну роль в процесах освіти і еволюції зірок.
Сила гравітації, що діє між частинками, завжди є силою тяжіння: вона прагне зблизити частинки. Гравітаційне відштовхування ще ніколи не спостерігалося.