Dlaczego grawitacja jest tylko atrakcyjną siłą?

9

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?

gravity

— Mea Culpa Nay
źródło

Jakiś czas temu był artykuł w New Scientist. Opisywał badania nad tym, jak antymateria (przypuszczalnie ma masę ujemną ) reaguje pod ziemską grawitacją. Uważa się, że antymateria (w tym przypadku anty-wodór) może wzrosnąć zamiast spaść.

— Beta Decay

Wspomniany artykuł

— Rozpad Beta

6

@BetaDecay Nie jestem pewien, o czym mówi ten artykuł. Żadne prawdziwe przewidywania w fizyce sugerują, że antycząstki mają masę ujemną. Z wikipedii : „Cząstka i jej antycząstka mają taką samą masę, ale przeciwny ładunek elektryczny i inne liczby kwantowe”.

— zephyr

Myślę, że pytanie jest sformułowane w sposób, który ogranicza uogólnienie. Myślę, że większe pytanie dotyczy tego, czy grawitacja jest przejawem jakiejś większej teorii w pewnych warunkach brzegowych. Teoria grawitacji Newtona opiera się na „zwykłych obserwacjach” i działa bardzo dobrze w większości ludzkich rozważań. Obliczenia oparte na teorii Newtona doprowadziły ludzi na Księżyc iz powrotem. Jednak w przypadku orbity Merkurego i czasu GPS należy wziąć pod uwagę względy relatywistyczne. Wróćmy więc do pytania? Biorąc pod uwagę, że „ciemna energia” powoduje, że wszechświat rozszerza się szybciej i fas

— MaxW

To samo pytanie na tablicy fizyki. physics.stackexchange.com/questions/11542/... Możesz znaleźć cząstki Spin 1 i Spin 2, aby uzyskać wyjaśnienia, ale dopóki rzeczywista grawitacja nie zostanie zrozumiana, wszystkie odpowiedzi są w dużej mierze hipotezą. Kilka powiązanych odpowiedzi tutaj: quora.com/…

— userLTK

10

Ponieważ masa jest dodatnia

Aby rozszerzyć swój cytat dotyczący siły grawitacji na równanie:

F_{G} = - \frac{G m_{1} m_{2}}{r^{2}}

$F_G = -\frac{Gm_1m_2}{r^2}$

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

F = m a

$F = ma$

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.

— zefir
źródło

3

Choć wydaje się to przekonujące, ładunek elektryczny jest zgodny z odwrotnym prawem kwadratowym, a ładunek może być dodatni lub ujemny. Nie widzę powodu, dla którego masa nie mogłaby teoretycznie zachowywać się w ten sam sposób. Uważam, że tak naprawdę jest to „podstawowa tajemnica”, dlaczego grawitacja jest jedyną z czterech znanych sił, które działają tylko po to, aby przyciągać i nigdy nie odpychać. Pozostałe 3 siły podstawowe mogą działać.

— barrycarter

@barrycarter Myślałem o rozwiązaniu tego problemu w mojej odpowiedzi. Chyba powinienem. Problem polega na tym, że drugie prawo Newtona nie jest

F = e a

$F=ea$ , to jest

F = m a

$F=ma$ . Z tego powodu nie można zastosować powyższego argumentu do ujemnych ładunków elektrycznych. Powodem, dla którego masa nie może zachowywać się w ten sam sposób, jest powód, który opisałem powyżej. To nie jest tajemnica. Jeśli zamiast tego było drugie prawo Newtona

F = e a

$F=ea$ , wówczas ładunek elektryczny nie może być ujemny.

— zephyr

2

Drugie prawo opisuje jednak masę bezwładności, a nie (koniecznie) masę grawitacyjną.

— adrianmcmenamin

@adrianmcmenamin Ale wszystkie dowody sugerują, że oba są równoważne. W rzeczywistości ich równoważność jest głównym składnikiem GR i jak dotąd nie ma dowodów na to, że ta część GR jest błędna. Opisałem odpowiedź dla wszechświata, w którym wydaje się, że żyjemy (oprócz potencjalnej masy ujemnej). Jeśli chcesz rzucić wiele innych komplikacji, to nie wchodzi w zakres mojej odpowiedzi.

— zephyr

4

Co ciekawe, siła grawitacji byłaby ujemna, gdyby odległość była wyimaginowana! Więc wyobraź sobie jakąś masę w określonej odległości od ciebie, a to cię odstraszy.

— zephyr

3

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.

— David Hammen
źródło

1

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”.

— historynerd
źródło

Miałeś na myśli „foton”, a nie „proton” bezmasowy?

— Chappo nie zapomniał Moniki

0

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.

— Nick van Alfen
źródło

Ten papier w żaden sposób nie sugeruje, że grawitację można odwrócić. Artykuł mówi, że atomy w kondensacie Bosego-Einsteina mogą, w pewnych warunkach obejmujących ekspansję BEC 1-D, „przyspieszać w stosunku do przyłożonej siły, osiągając ujemną masę efektywną związaną z ujemną krzywizną leżącej u podstaw zależności dyspersji”. Innymi słowy, atomy rubidu-87 o masie dodatniej zachowują się przez chwilę tak, jakby miały masę ujemną. Równoważność sił bezwładności i grawitacji pozostaje niepewna na poziomie kwantowym, więc nie można użyć tego wyniku do argumentowania za „ujemną” grawitacją.

— Chappo nie zapomniał Moniki