Warum ist die Schwerkraft nur eine anziehende Kraft?

Nach dem universellen Gesetz der Anziehung erfahren zwei beliebige Körper (mit einer gewissen Masse) eine Anziehungskraft, die proportional zu ... und ... umgekehrt proportional ... ist.

Dann kommt meine Frage: Warum sollte es Gewalt sein, sollte nur vom Typ "Anziehung" sein? Warum sollte es keine Abstoßung / irgendeine andere Art von Kraft sein?

Weil die Masse positiv ist

Um Ihr Zitat bezüglich der Gravitationskraft in eine Gleichung zu erweitern:

Die Schwerkraft ist proportional zum Produkt der Massen und umgekehrt proportional zum Abstand im Quadrat. Lassen Sie uns dies aufschlüsseln und sehen, was dazu führen kann, dass positiv ist.$F_G$$r$$F_G$

In dieser Gleichung kann nicht negativ sein, da es sich um einen Abstand zwischen zwei Orten handelt. Zwei Standorte dürfen keinen negativen Abstand voneinander haben. Und selbst wenn sie es irgendwie wären, würde sich das Quadrat sowieso darum kümmern.$r$

$G$ ist die universelle Konstante und immer positiv. Sie könnten argumentieren, dass es möglicherweise negativ sein könnte, aber das ist nicht möglich. eigentlich nicht wirklich. Es beschreibt nichts Grundlegendes für die Physik des Universums. ist einfach eine Buchhaltungskonstante, die es uns ermöglicht, die richtige Antwort für die Kraft zu erhalten, basierend auf einer beliebigen Auswahl von Einheiten für Masse und Entfernung. Technisch gesehen ist und existiert effektiv nicht , wenn man die "richtigen" Einheiten für Masse und Entfernung verwendet (z. B. die Planck-Einheiten ) . Da nur ein Skalierungsfaktor ist, der von der Wahl der Einheiten abhängt, ist es nur eine positive Zahl.$G$$G$$G=1$$G$

Das lässt uns bei den Massen. Dies sind die einzigen Dinge, die möglicherweise negativ sein könnten. Um eine positive, abstoßende Kraft zu erhalten, müsste natürlich eine Masse positiv und die andere negativ sein. Aber was genau ist eine negative Masse? Masse ist die Metrik, die beschreibt, "wie viel" von etwas vorhanden ist. Wie können Sie weniger als nichts von etwas haben?

Warum kann Masse nicht negativ sein?

Wenn Sie dies anders betrachten möchten, können Sie zeigen, dass Sie unsinnige Ergebnisse erhalten, wenn die Masse negativ sein könnte! Vorausgesetzt natürlich, alle anderen Aspekte der Physik waren gleich. Rückruf von Newtons zweites Gesetz , dass

Nehmen wir an, auf einem Tisch sitzen zwei Blöcke. Ein Block hat eine Masse die positiv ist, und der andere hat eine Masse die negativ ist. Ignorieren Sie vorerst alle anderen Kräfte auf diese beiden Blöcke.$m_1>0$$m_2<0$

Ich gehe auf und übe eine Kraft aus, um diese Masse nach vorne zu schieben. Die induzierte Beschleunigung ist: . Notwendigerweise ist die Richtung, in die sich bewegt, dieselbe Richtung, in die ich drücke. Das ist alles schön und gut.$m_1$$a = F/m_1$$m_1$

Jetzt gehe ich zu und dieselbe Kraft an, um sie auf dem Tisch nach vorne zu schieben. Die auf induzierte Beschleunigung ist:. Hinweis Ich habe$m_2$$m_2$$a = -F/|m_2|$$m_2$positiv und zog das negative Vorzeichen heraus. Sie können sehen, dass wenn meine Kraft vorwärts ist, die Richtung, in die sich die Masse bewegt, rückwärts ist! Aber hier ist das Problem, meine Hand ist im Weg, weil sie versucht, zur Masse zu drängen. Wenn die Masse versucht, sich rückwärts in meine Hand zu bewegen, übt sie eine Kraft auf meine Hand aus, was nach Newtons drittem Gesetz zwangsläufig bedeutet, dass meine Hand mehr Kraft auf den Block ausübt, was dann mehr Kraft auf meine Hand ausübt. .. und plötzlich werden unendliche Kräfte angewendet oder gleichwertig, diese Objekte beschleunigen unendlich. Dies wird durch das Konzept von Runaway Motion beschrieben .

Wenn Ihnen das seltsam vorkommt, liegt das daran, dass es so ist. Wenn negative Massen existieren würden, würden wir in einem sehr seltsamen Universum leben. Glücklicherweise leben wir in einem Universum, in dem Physik Sinn macht, Masse positiv ist und die Schwerkraft immer attraktiv ist.

Warum ist die Schwerkraft nur eine anziehende Kraft?

TL; DR
Weil die Masse immer positiv ist.

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

Aber was ist, wenn sie nicht gleichwertig sind?

Anders als in der Mathematik, wo man einfach eine Annahme treffen und sehen kann, wohin sie führt, müssen Annahmen in der Physik validiert werden. Diese Annahme wurde mit vielen Arten von Materialien sowohl am Boden als auch im Weltraum getestet. Es wurden Variationen des Cavendish-Experiments unter Verwendung verschiedener Arten von Materialien vorgenommen. Innerhalb der Grenzen der ziemlich miesen Genauigkeit der Gravitationskonstante (bestenfalls ein Teil pro zehntausend) stimmt jede davon mit der Nullhypothese überein (Gravitations- und Trägheitsmasse sind gleich) und widerspricht der Hypothese, dass verschiedene Materialien haben messbar unterschiedliche Gravitations- und Trägheitsmassen.

Der Mond der Erde mit seiner sehr unterschiedlichen Nah- und Fernseite bietet einen noch besseren Mechanismus zum Testen dieser Äquivalenz. Anstelle der Genauigkeit von einem Teil pro zehntausend (bestenfalls), die für Experimente im Cavendish-Stil verfügbar ist, zeigt der Mond, dass die Gravitations- und Trägheitsmasse für Natrium und Eisen etwa einem Teil pro zehn Billionen entspricht .

Soviel zur gewöhnlichen Materie, aber was ist mit Antimaterie?

Dass ein gewöhnliches Materieteilchen und sein Antimaterieäquivalent die gleiche (positive) Trägheitsmasse haben, wurde weltweit in Teilchenkollidern immer wieder getestet. Ob das Äquivalenzprinzip auch für Antimaterie gilt, bleibt offen. Während es viele Gründe gibt zu glauben, dass das Äquivalenzprinzip sowohl für Antimaterie als auch für normale Materie gilt, ist es sehr schwierig zu testen, ob dies der Fall ist. Die bisher besten Ergebnisse stammen aus dem ALPHA-Experiment, bei dem getestet wird, ob neutrales Antiwasserstoff (ein Antiproton und ein Positron) nach oben oder unten fällt. Das Ergebnis ist, dass die Gravitationsmasse von Antiwasserstoff irgendwo zwischen dem -65- und 120-fachen seiner Trägheitsmasse liegt. Dies ist nicht annähernd schlüssig, aber es tendiert zu Antimaterie mit einer positiven Gravitationsmasse, die mit dem Äquivalenzprinzip übereinstimmt.

In Anlehnung an frühere Antworten mit dem Hinweis "Masse kann nicht negativ sein" möchte ich einen Einblick hinzufügen, warum dies wahrscheinlich der Fall sein könnte. Wenn das Higgs-Feld und die unterschiedlichen Wechselwirkungsgrade der Teilchen mit dem Feld zu dem führen, was wir Masse nennen, dann legt die Theorie nahe, dass Photonen keine Masse haben (und die Geschwindigkeitsgrenze durch den Raum bilden), weil sie nicht mit ihnen interagieren das Feld überhaupt. Ich denke nicht, dass das Framework eine negative Interaktion mit dem Feld oder einem "Anti-Higgs" -Feld zulässt.

Theoretisch kann die Schwerkraft in dem Sinne "attraktiv" sein, dass sich Objekte beim Schieben auf Sie zubewegen. Dies kann durch negative Masse geschehen (scheint nicht sinnvoll, aber theoretisch möglich). Peter Engels und andere haben ein Papier darüber geschrieben hier und es ist eine interessante Idee.

Die Idee ist, dass die Atome durch Abkühlen auf nahezu absoluten Nullpunkt ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen und im Bereich der Quantendynamik wie Wellen wirken.