Perché la gravità è solo una forza attrattiva?

Secondo la legge universale di attrazione, ogni due corpi (con una certa massa) sperimenta una forza di "attrazione" che è proporzionata a ... e ... proporzionata inversa ....

Poi arriva la mia domanda: perché dovrebbe essere la forza dovrebbe essere solo di tipo 'attrazione'? Perché non dovrebbe essere repulsione / qualsiasi altro tipo di forza?

Perché la massa è positiva

Per espandere la tua citazione relativa alla forza gravitazionale in un'equazione:

La forza di gravità, è proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale alla distanza, , al quadrato. Analizziamolo e vediamo cosa potrebbe causare positivo. r F $F_G$$r$$F_G$

In questa equazione, non può essere negativo perché è una distanza tra due posizioni. Due posizioni non possono essere distanti tra loro in modo negativo. E anche se in qualche modo lo fossero, il quadrato si sarebbe comunque preso cura di quello.$r$

G G G = 1 $G$ è la costante universale e sempre positiva. Potresti sostenere che potrebbe essere negativo, ma non è possibile. realtà non esiste davvero. Non descrive nulla di fondamentale per la fisica dell'universo. è semplicemente una costante contabile che ci consente di ottenere la risposta giusta per la forza basata su qualsiasi scelta di unità per massa e distanza. Tecnicamente, se si usano le unità "corrette" per massa e distanza (ad esempio, le unità di Planck ), allora ed effettivamente non esiste. Poiché è solo un fattore di ridimensionamento che dipende dalla scelta delle unità, sarà solo un numero positivo.$G$$G$$G=1$$G$

Questo ci lascia con le masse. Queste sono le uniche cose che potrebbero essere negative. Naturalmente, per ottenere una forza positiva e ripugnante, una massa dovrebbe essere positiva e l'altra negativa. Ma cos'è esattamente una massa negativa? La massa è la metrica che descrive "quanto" di qualcosa c'è. Come puoi avere meno di niente di qualcosa?

Perché la massa non può essere negativa?

Se vuoi guardare in un altro modo, puoi mostrare che se la massa potrebbe essere negativa, otterrai risultati senza senso! Supponendo ovviamente che tutti gli altri aspetti della fisica fossero gli stessi. Richiamo dalla seconda legge di Newton che

Diciamo che ci sono due blocchi seduti su un tavolo. Un blocco ha una massa che è positiva e l'altro ha una massa che è negativa. Ignora tutte le altre forze su questi due blocchi per il momento.m 2 < $m_1>0$$m_2<0$

su e applico una forza per spingere questa massa in avanti. L'accelerazione indotta è: . Necessariamente , la direzione in cui sposta è la stessa direzione in cui sto spingendo. Va tutto bene. a = F / m 1 m $m_1$$a = F/m_1$$m_1$

Ora vado su e applico la stessa forza, provando a spingerla in avanti sul tavolo. L'accelerazione indotta su sarà:. Nota ho creatom 2 a = - F / | m 2 | m $m_2$$m_2$$a = -F/|m_2|$$m_2$positivo e tirato fuori il segno negativo. Puoi vedere che se la mia forza è in avanti, la direzione in cui si muove la massa sarà all'indietro! Ma ecco il problema, la mia mano è in mezzo perché sta cercando di spingere verso la massa. Mentre la massa cerca di spostarmi all'indietro nella mia mano, applicherà una forza indietro sulla mia mano, che secondo la terza legge di Newton, significa necessariamente che la mia mano sta applicando più forza sul blocco, che quindi applica più forza sulla mia mano. .. e all'improvviso vengono applicate forze infinite o equivalentemente, questi oggetti accelerano all'infinito. Questo è descritto dal concetto di Runaway Motion .

Se questo ti sembra strano, è perché lo è. Se esistessero masse negative, vivremmo in un universo molto strano. Fortunatamente, viviamo in un universo in cui la fisica ha un senso, la massa è positiva e, per estensione, la gravità è sempre attraente.

Perché la gravità è solo una forza attrattiva?

TL; DR
Perché la massa è sempre positiva.

$F = \frac{Gm_1m_2}{r^2}$$F=ma$

E se non fossero equivalenti?

A differenza della matematica, dove si può semplicemente fare un'ipotesi e vedere dove conduce, le ipotesi in fisica devono essere validate. Questa ipotesi è stata testata con molti tipi di materiali, sia a terra che nello spazio. Sono state apportate variazioni all'esperimento Cavendish utilizzando diversi tipi di materiali. Entro i limiti della precisione piuttosto scadente della costante gravitazionale (una parte per diecimila, nella migliore delle ipotesi), ognuna di queste è coerente con l'ipotesi nulla (la massa gravitazionale e inerziale sono le stesse) e incompatibile con l'ipotesi che materiali diversi hanno masse gravitazionali e inerziali misurabili in modo diverso.

La Luna della Terra, con i suoi lati vicini e lontani molto diversi, fornisce un meccanismo ancora migliore per testare questa equivalenza. Piuttosto che una parte per diecimila (al massimo) accuratezza disponibile per gli esperimenti in stile Cavendish, la Luna mostra che la massa gravitazionale e inerziale per sodio e ferro sono equivalenti a circa una parte per dieci trilioni .

Tanto per la materia ordinaria, ma per quanto riguarda l'antimateria?

Che una particella di materia ordinaria e il suo equivalente di antimateria abbiano la stessa massa inerziale (positiva) è stata testata più volte nei collettori di particelle di tutto il mondo. Se il principio di equivalenza si applichi anche all'antimateria rimane una questione piuttosto aperta. Mentre ci sono molte ragioni per pensare che il principio di equivalenza si applichi sia all'antimateria che alla materia normale, verificare che ciò avvenga è molto difficile. I migliori risultati fino ad oggi provengono dall'esperimento ALPHA, che verifica se l'antiidrogeno neutro (un antiprotone e un positrone) cade su o giù. I risultati sono che la massa gravitazionale dell'antiidrogeno si trova tra -65 e 120 volte la sua massa inerziale. Ciò non è affatto conclusivo, ma tende all'antimateria con una massa gravitazionale positiva, coerente con il principio di equivalenza.

Allo stesso modo con le risposte precedenti che suggeriscono che "la massa non può essere negativa", vorrei aggiungere una visione del perché probabilmente questo potrebbe essere il caso. Se i vari gradi di interazione con il campo di Higgs e le particelle con il campo sono ciò che dà origine a ciò che chiamiamo massa, la teoria suggerisce che i fotoni non hanno massa (e costituiscono il limite di velocità attraverso lo spazio) perché non interagiscono con il campo a tutti. Non credo che il framework consenta un'interazione negativa con il campo o un campo "anti-Higgs".

Teoricamente, la gravità può essere "attraente", nel senso che gli oggetti si muovono verso di te quando vengono spinti. Ciò può avvenire da massa negativa (non sembra avere senso, ma teoricamente possibile). Peter Engels e altri hanno scritto un articolo al riguardo qui ed è un'idea interessante.

L'idea è che raffreddando gli atomi a zero quasi assoluto, creano un condensato di Bose-Einstein e agiscono come onde nel regno della dinamica quantistica.