Dlaczego grawitacja jest tylko atrakcyjną siłą?

Zgodnie z uniwersalnym prawem przyciągania, każde dwa ciała (mające pewną masę) doświadczają siły „przyciągania”, która jest proporcjonalna do ... i ... odwrotnie proporcjonalna ...

Potem pojawia się moje pytanie: dlaczego siła powinna mieć charakter „przyciągania”? Dlaczego nie powinien to być odpychanie / jakakolwiek inna siła?

Ponieważ masa jest dodatnia

Aby rozszerzyć swój cytat dotyczący siły grawitacji na równanie:

Siła grawitacji, $F_G$ jest proporcjonalny do iloczynu mas i odwrotnie proporcjonalny do odległości, $r$, do kwadratu. Przełammy to i zobaczmy, co może spowodować$F_G$ być pozytywnym.

W tym równaniu $r$nie może być ujemna, ponieważ jest to odległość między dwiema lokalizacjami. Dwie lokalizacje nie mogą być oddalone od siebie o ujemną odległość. I nawet jeśli w jakiś sposób tak było, kwadrat i tak by się tym zajął.

$G$jest uniwersalną stałą i zawsze pozytywną. Możesz argumentować, że może to być negatywne, ale nie jest to możliwe.$G$tak naprawdę nie istnieje. Nie opisuje niczego fundamentalnego dla fizyki wszechświata.$G$jest po prostu stałą księgową, która pozwala nam uzyskać właściwą odpowiedź dla siły w oparciu o dowolny wybór jednostek masy i odległości. Technicznie, jeśli używa się „prawidłowych” jednostek masy i odległości (np. Jednostek Plancka ), to$G=1$i skutecznie nie istnieje. Od$G$ jest tylko współczynnikiem skalowania, który zależy od wyboru jednostek, będzie to tylko liczba dodatnia.

To pozostawia nam masy. To jedyne rzeczy, które mogą być negatywne. Oczywiście, aby uzyskać dodatnią, odpychającą siłę, jedna masa musiałaby być dodatnia, a druga ujemna. Ale czym dokładnie jest masa ujemna? Masa to metryka, która opisuje „ile” czegoś jest. Jak możesz mieć coś mniej niż nic?

Dlaczego masa nie może być ujemna?

Jeśli chcesz spojrzeć na to z innej strony, możesz pokazać, że gdyby masa mogła być ujemna, uzyskałbyś bezsensowne wyniki! Zakładając oczywiście, że wszystkie inne aspekty fizyki były takie same. Przypomnij sobie z drugiego prawa Newtona, że

Powiedzmy, że na stole są dwa bloki. Jeden blok ma masę$m_1>0$ który jest dodatni, a drugi ma masę $m_2<0$co jest negatywne. Na razie zignoruj ​​wszystkie inne siły na tych dwóch blokach.

Idę do $m_1$i przykładam siłę, aby popchnąć tę masę do przodu. Indukowane przyspieszenie wynosi:$a = F/m_1$. Koniecznie kierunek, w którym$m_1$ruchy są w tym samym kierunku, w którym pcham. Wszystko dobrze i dobrze.

Teraz idę do $m_2$i przykładam tę samą siłę, próbując popchnąć ją do przodu na stole. Przyspieszenie indukowane$m_2$ będzie: $a = -F/|m_2|$. Uwaga zrobiłem$m_2$pozytywne i wyciągnął znak ujemny. Widać, że jeśli moja siła jest skierowana do przodu, kierunek ruchu masy będzie skierowany do tyłu! Ale tu jest problem, moja ręka przeszkadza, ponieważ próbuje przepchnąć się do masy. Gdy masa próbuje przesunąć się do tyłu w moją dłoń, będzie przykładać siłę z powrotem do mojej ręki, co zgodnie z trzecim prawem Newtona, koniecznie oznacza, że ​​moja ręka wywiera większą siłę na blok, który następnie wywiera większą siłę na moją rękę,. ... i nagle przyłożone są nieskończone siły lub równoważnie, obiekty te nieskończenie przyspieszają. Opisuje to koncepcja Runaway Motion .

Jeśli wydaje ci się to dziwne, to dlatego, że tak jest. Gdyby istniały masy ujemne, żylibyśmy w bardzo dziwnym wszechświecie. Na szczęście żyjemy we wszechświecie, w którym fizyka ma sens, masa jest dodatnia, a przez to grawitacja jest zawsze atrakcyjna.

Dlaczego grawitacja jest tylko atrakcyjną siłą?

TL; DR
Ponieważ masa jest zawsze dodatnia.

Istnieją różne pojęcia masy, ale są one równoważne.
Istnieją dwa odrębne pojęcia masy: grawitacyjne i bezwładnościowe. Masy w prawie grawitacyjnym Newtona,$F = \frac{Gm_1m_2}{r^2}$są masami grawitacyjnymi. Masa w drugim prawie ruchu Newtona,$F=ma$, jest masą bezwładnościową. Zakłada się, że masa grawitacyjna i bezwładnościowa jest taka sama w mechanice Newtona. Ogólna teoria względności uwidacznia to założenie w zasadzie równoważności.

Ale co jeśli nie są równoważne?

W przeciwieństwie do matematyki, gdzie można po prostu założyć i zobaczyć, dokąd ona prowadzi, założenia fizyki należy zweryfikować. To założenie zostało przetestowane z wieloma rodzajami materiałów, zarówno na ziemi, jak i w przestrzeni kosmicznej. Dokonano zmian w eksperymencie Cavendisha z wykorzystaniem różnych rodzajów materiałów. W granicach raczej kiepskiej dokładności stałej grawitacyjnej (co najwyżej jedna część na dziesięć tysięcy) każda z nich jest zgodna z hipotezą zerową (masa grawitacyjna i bezwładna są takie same) i niespójna z hipotezą, że różne materiały mają mierzalnie różne masy grawitacyjne i bezwładnościowe.

Księżyc Ziemi, z bardzo różną stroną bliską i daleką, zapewnia jeszcze lepszy mechanizm testowania tej równoważności. Księżyc zamiast jednej części na dziesięć tysięcy (co najwyżej) dokładności dostępnej w eksperymentach w stylu Cavendisha, Księżyc pokazuje, że masa grawitacyjna i bezwładnościowa sodu i żelaza są równoważne w granicach około jednej części na dziesięć bilionów .

Tyle o zwykłej materii, ale co z antymaterią?

To, że zwykła cząstka materii i jej równoważnik antymaterii mają tę samą (dodatnią) masę inercyjną, była wielokrotnie testowana w zderzaczach cząstek na całym świecie. To, czy zasada równoważności dotyczy również antymaterii, pozostaje dość otwartą kwestią. Chociaż istnieje wiele powodów, aby sądzić, że zasada równoważności dotyczy zarówno antymaterii, jak i normalnej materii, sprawdzenie, czy tak jest, jest bardzo trudne. Najlepsze do tej pory wyniki pochodzą z eksperymentu ALPHA, który sprawdza, czy neutralny anty-wodór (antyproton i pozytron) spada w górę, czy w dół. Rezultaty są takie, że masa grawitacyjna przeciwwodnika leży gdzieś pomiędzy -65 a 120 razy masą bezwładności. Nie jest to wcale bliskie rozstrzygnięcia, ale skłania się ku antymaterii o dodatniej masie grawitacyjnej, zgodnej z zasadą równoważności.

W tym samym wierszu z poprzednimi odpowiedziami sugerującymi, że „masa nie może być ujemna”, chciałbym dodać spostrzeżenie, dlaczego tak może być. Jeśli zmienne stopnie interakcji pola i cząstek Higgsa z tym, co wywołuje to, co nazywamy masą, to teoria sugeruje, że fotony nie mają masy (i stanowią granicę prędkości w przestrzeni), ponieważ nie wchodzą w interakcje pole w ogóle. Nie sądzę, że ramy pozwalają na negatywną interakcję z polem lub polem „anty-Higgsa”.

Teoretycznie grawitacja może być „atrakcyjna” w tym sensie, że obiekty poruszają się w twoją stronę, gdy są popychane. Może się to zdarzyć z masy ujemnej (wydaje się to nie mieć sensu, ale teoretycznie jest możliwe). Peter Engels i inni napisali o tym tutaj artykuł i jest to ciekawy pomysł.

Chodzi o to, że schładzając atomy do niemal absolutnego zera, tworzą kondensat Bosego-Einsteina i działają jak fale w dziedzinie dynamiki kwantowej.