Tại sao trọng lực chỉ là một lực hấp dẫn?

Theo luật hấp dẫn phổ quát, bất kỳ hai cơ quan nào (có khối lượng) đều trải qua một lực 'hấp dẫn' tương xứng với ... và ... tỷ lệ nghịch ....

Rồi đến câu hỏi của tôi: Tại sao nó chỉ nên là loại 'thu hút'? Tại sao nó không nên là lực đẩy / bất kỳ loại lực nào khác?

Bởi vì khối lượng là tích cực

Để mở rộng trích dẫn của bạn liên quan đến lực hấp dẫn thành một phương trình:

Lực hấp dẫn, tỷ lệ thuận với tích của khối lượng và tỷ lệ nghịch với khoảng cách, , bình phương. Chúng ta hãy phá vỡ điều này và xem điều gì có thể khiến cho trở nên tích cực. r F $F_G$$r$$F_G$

Trong phương trình này, không thể âm bởi vì đó là khoảng cách giữa hai vị trí. Hai địa điểm không thể cách nhau một khoảng âm. Và ngay cả khi họ bằng cách nào đó, bình phương sẽ chăm sóc điều đó bằng mọi cách.$r$

G G G = 1 $G$ là hằng số phổ quát và luôn dương. Bạn có thể lập luận rằng nó có thể có thể tiêu cực, nhưng điều đó là không thể. thực sự không tồn tại. Nó không mô tả bất cứ điều gì cơ bản cho vật lý của vũ trụ. chỉ đơn giản là một hằng số kế toán cho phép chúng ta có được câu trả lời đúng cho lực dựa trên bất kỳ sự lựa chọn đơn vị nào cho khối lượng và khoảng cách. Về mặt kỹ thuật, nếu người ta sử dụng các đơn vị "chính xác" cho khối lượng và khoảng cách (ví dụ: đơn vị Planck ), thì và thực tế không tồn tại. Vì chỉ là một hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào sự lựa chọn đơn vị, nên nó sẽ chỉ là một số dương.$G$$G$$G=1$$G$

Điều đó để lại cho chúng tôi với quần chúng. Đây là những điều duy nhất có thể tiêu cực. Tất nhiên, để có được một lực tích cực, lực đẩy, một khối sẽ phải tích cực và một khối khác. Nhưng chính xác những gì là một khối tiêu cực? Khối lượng là số liệu mô tả "bao nhiêu" của một cái gì đó có. Làm thế nào bạn có thể có ít hơn không có gì của một cái gì đó?

Tại sao khối lượng không thể âm?

Nếu bạn muốn xem xét theo cách khác, bạn có thể chỉ ra rằng nếu khối lượng có thể âm tính, bạn sẽ nhận được kết quả vô nghĩa! Tất nhiên, giả sử, tất cả các khía cạnh khác của vật lý là như nhau. Nhớ lại từ định luật thứ hai của Newton rằng

Hãy nói rằng có hai khối ngồi trên bàn. Một khối có khối lượng là dương và khối kia có khối lượng là âm. Bỏ qua tất cả các lực lượng khác trên hai khối này trong thời điểm này.m 2 < $m_1>0$$m_2<0$

Tôi đi lên và tôi dùng một lực để đẩy khối này về phía trước. Gia tốc được tạo ra là: . thiết , hướng mà di chuyển là cùng hướng mà tôi đang đẩy. Đó là tất cả tốt và tốt. a = F / m 1 m $m_1$$a = F/m_1$$m_1$

Bây giờ tôi chuyển sang và tôi áp dụng cùng một lực, cố gắng đẩy nó về phía trước trên bàn. Gia tốc gây ra trên sẽ là:. Lưu ý tôi đã thực hiệnm 2 a = - F / | m 2 | m $m_2$$m_2$$a = -F/|m_2|$$m_2$tích cực và rút ra các dấu hiệu tiêu cực. Bạn có thể thấy rằng nếu lực của tôi hướng về phía trước, hướng di chuyển của khối lượng sẽ ngược lại! Nhưng đây là vấn đề, bàn tay của tôi đang cản trở bởi vì nó đang cố gắng đẩy lên hàng loạt. Khi khối lượng cố gắng di chuyển ngược vào tay tôi, nó sẽ tác dụng lực trở lại vào tay tôi, theo định luật thứ ba của Newton, điều đó có nghĩa là tay tôi đang tác dụng lực mạnh hơn vào khối, sau đó tác dụng lực mạnh hơn vào tay tôi. .. và đột nhiên các lực vô hạn đang được áp dụng hoặc tương đương, các đối tượng này đang gia tốc vô hạn. Điều này được mô tả bởi khái niệm Runaway Motion .

Nếu điều này có vẻ lạ đối với bạn, đó là vì nó là. Nếu có khối lượng tiêu cực tồn tại, chúng ta sẽ sống trong một vũ trụ rất kỳ lạ. May mắn thay, chúng ta sống trong một vũ trụ nơi vật lý có ý nghĩa, khối lượng là tích cực và bởi lực hấp dẫn luôn luôn hấp dẫn.

Tại sao trọng lực chỉ là một lực hấp dẫn?

TL; DR
Vì khối lượng luôn dương.

Có những quan niệm khác nhau về khối lượng, nhưng chúng tương đương nhau.
Có hai khái niệm khác biệt về khối lượng: trọng lực và quán tính. Các khối lượng trong định luật hấp dẫn của Newton, , là các khối lượng hấp dẫn. Khối lượng trong định luật chuyển động thứ hai của Newton, , là khối lượng quán tính. Khối lượng hấp dẫn và quán tính được mặc nhiên coi là giống nhau trong cơ học Newton. Thuyết tương đối rộng làm cho giả định này rõ ràng trong nguyên tắc tương đương. F=m$F = \frac{Gm_1m_2}{r^2}$$F=ma$

Nhưng nếu chúng không tương đương thì sao?

Không giống như toán học, nơi người ta có thể chỉ cần đưa ra một giả định và xem nó dẫn đến đâu, các giả định trong vật lý cần phải được xác nhận. Giả định này đã được thử nghiệm với nhiều loại vật liệu, cả trên mặt đất và trong không gian. Biến thể trên thí nghiệm Cavendish sử dụng các loại vật liệu khác nhau đã được thực hiện. Trong giới hạn của độ chính xác khá tệ hại của hằng số hấp dẫn (tốt nhất là một phần mười nghìn), mỗi một trong số này đều phù hợp với giả thuyết null (khối lượng hấp dẫn và quán tính là như nhau) và không phù hợp với giả thuyết rằng các vật liệu khác nhau có khối lượng hấp dẫn và quán tính khác nhau.

Mặt trăng của Trái đất, với mặt rất gần và cực xa, cung cấp một cơ chế thậm chí tốt hơn để kiểm tra sự tương đương này. Thay vì độ chính xác một phần mười (tốt nhất) có sẵn cho các thí nghiệm theo kiểu Cavendish, Mặt trăng cho thấy khối lượng hấp dẫn và quán tính đối với natri và sắt tương đương trong khoảng một phần mười nghìn tỷ .

Quá nhiều cho vật chất thông thường, nhưng về phản vật chất thì sao?

Rằng một hạt vật chất thông thường và tương đương phản vật chất của nó có cùng khối lượng quán tính (dương) đã được kiểm tra nhiều lần trong các máy va chạm hạt trên khắp thế giới. Cho dù nguyên tắc tương đương cũng áp dụng cho phản vật chất vẫn là một câu hỏi hơi mở. Trong khi có nhiều lý do để nghĩ rằng nguyên tắc tương đương áp dụng cho phản vật chất cũng như vật chất bình thường, kiểm tra rằng đây là trường hợp rất khó. Các kết quả tốt nhất cho đến nay là từ thí nghiệm ALPHA, trong đó kiểm tra xem liệu chất chống oxy hóa trung tính (một antiproton và positron) rơi lên hay xuống. Kết quả là khối lượng hấp dẫn của antihydrogen nằm ở khoảng từ -65 đến 120 lần khối lượng quán tính của nó. Đây không phải là bất cứ nơi nào gần với kết luận, nhưng nó nghiêng về phản vật chất có khối lượng hấp dẫn dương, phù hợp với nguyên tắc tương đương.

Cùng dòng với các câu trả lời trước đó cho thấy "khối lượng không thể âm", tôi muốn thêm một cái nhìn sâu sắc về lý do tại sao điều đó có thể là trường hợp. Nếu mức độ tương tác khác nhau của trường và hạt của hạt Higgs là thứ tạo ra khối lượng mà chúng ta gọi là khối lượng, thì lý thuyết cho thấy rằng các photon không có khối lượng (và tạo thành giới hạn vận tốc trong không gian) vì chúng không tương tác với lĩnh vực nào cả. Tôi không nghĩ khung cho phép tương tác tiêu cực với trường hoặc trường "chống Higgs".

Về mặt lý thuyết, trọng lực có thể "hấp dẫn" theo nghĩa các vật thể di chuyển về phía bạn khi bị đẩy. Điều này có thể xảy ra từ khối lượng âm (dường như không có ý nghĩa, nhưng về mặt lý thuyết là có thể). Peter Engels và những người khác đã viết một bài báo về nó ở đây và đó là một ý tưởng thú vị.

Ý tưởng là bằng cách làm lạnh các nguyên tử về độ gần như tuyệt đối, chúng tạo ra một ngưng tụ Bose-Einstein và hoạt động như sóng trong vương quốc của động lực lượng tử.