Por que a gravidade é apenas uma força atraente?

De acordo com a lei universal da atração, quaisquer dois corpos (com alguma massa) experimentam uma força de 'atração' proporcional a ... e ... proporcional inversa ...

Então vem a minha pergunta: por que deveria haver força, deveria ser apenas do tipo 'atração'? Por que não deveria ser repulsa / qualquer outro tipo de força?

Porque a massa é positiva

Para expandir sua cotação referente à força gravitacional em uma equação:

A força da gravidade, é proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional à distância, r , ao quadrado. Vamos analisar isso e ver o que pode fazer com que F G seja positivo.$F_G$$r$$F_G$

Nesta equação, não pode ser negativo porque é uma distância entre dois locais. Dois locais não podem estar a uma distância negativa. E mesmo que de alguma forma fossem, o quadrado cuidaria disso de qualquer maneira.$r$

é a constante universal e sempre positiva. Você pode argumentar que isso pode ser negativo, mas isso não é possível. G realmente não existe. Não descreve nada de fundamental para a física do universo. G é simplesmente uma constante da contabilidade que nos permite obter a resposta certa para a força com base em qualquer escolha de unidades de massa e distância. Tecnicamente, se alguém usa as unidades "corretas" para massa e distância (por exemplo, asunidades de Planck), então G = 1 e efetivamente não existe. Como G é apenas um fator de escala que depende da escolha de unidades, será apenas um número positivo.$G$$G$$G$$G=1$$G$

Isso nos deixa com as massas. Estas são as únicas coisas que podem ser negativas. Obviamente, para obter uma força repulsiva positiva, uma massa teria que ser positiva e a outra negativa. Mas o que exatamente é uma massa negativa? Massa é a métrica que descreve "quanto" de algo existe. Como você pode ter menos do que nada?

Por que a massa não pode ser negativa?

Se você quiser ver isso de outra maneira, poderá mostrar que, se a massa for negativa, obteria resultados sem sentido! Supondo, é claro, todos os outros aspectos da física eram os mesmos. Lembre-se da segunda lei de Newton que

Digamos que há dois quarteirões sobre uma mesa. Um bloco tem uma massa que é positiva e o outro tem uma massa m 2 < 0 que é negativa. Ignore todas as outras forças nesses dois blocos no momento.$m_1>0$$m_2<0$

Subo para e aplico uma força para empurrar essa massa para frente. A aceleração induzida é: a = F / m 1 . Necessariamente , a direção em que m 1 se move é a mesma direção em que estou empurrando. Está tudo bem e bem.$m_1$$a = F/m_1$$m_1$

$m_2$$m_2$$a = -F/|m_2|$$m_2$positivo e retirou o sinal negativo. Você pode ver que, se minha força estiver para frente, a direção em que a massa se moverá será para trás! Mas aqui está o problema, minha mão está no caminho porque está tentando empurrar para a massa. À medida que a massa tenta se mover para trás na minha mão, ela aplicará uma força na minha mão, o que pela terceira lei de Newton significa necessariamente que minha mão está aplicando mais força no bloco, que então aplica mais força na minha mão. .. e de repente forças infinitas estão sendo aplicadas ou equivalentemente, esses objetos estão acelerando infinitamente. Isso é descrito pelo conceito de Movimento Descontrolado .

Se isso lhe parece estranho, é porque é. Se existissem massas negativas, viveríamos em um universo muito estranho. Felizmente, vivemos em um universo onde a física faz sentido, a massa é positiva e, por extensão, a gravidade é sempre atraente.

Por que a gravidade é apenas uma força atraente?

TL; DR
Porque a massa é sempre positiva.

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

Mas e se eles não forem equivalentes?

Ao contrário da matemática, onde se pode simplesmente fazer uma suposição e ver aonde ela leva, as suposições da física precisam ser validadas. Essa suposição foi testada com muitos tipos de materiais, tanto no solo quanto no espaço. Variações no experimento Cavendish usando diferentes tipos de materiais foram feitas. Dentro dos limites da precisão bastante ruim da constante gravitacional (uma parte por dez mil, na melhor das hipóteses), cada uma delas é consistente com a hipótese nula (massa gravitacional e inercial é a mesma) e inconsistente com a hipótese de que materiais diferentes têm massas gravitacionais e inerciais mensuráveis.

A Lua da Terra, com seus lados oposto e distante muito diferentes, fornece um mecanismo ainda melhor para testar essa equivalência. Em vez da precisão de uma parte por dez mil (no máximo) disponível para experimentos no estilo Cavendish, a Lua mostra que a massa gravitacional e inercial para sódio e ferro é equivalente a cerca de uma parte por dez trilhões .

Tanto para assuntos comuns, mas e a antimatéria?

Que uma partícula de matéria comum e seu equivalente de antimatéria tenham a mesma massa inercial (positiva) foi testada repetidamente em coletores de partículas em todo o mundo. Se o princípio da equivalência também se aplica à antimatéria permanece uma questão um tanto em aberto. Embora existam muitas razões para pensar que o princípio da equivalência se aplica tanto à antimatéria quanto à matéria normal, é muito difícil testar se esse é o caso. Os melhores resultados até o momento são do experimento ALPHA, que testa se o anti-hidrogênio neutro (um anti-próton e um pósitron) cai ou diminui. Os resultados são que a massa gravitacional do anti-hidrogênio fica entre -65 e 120 vezes a massa inercial. Isso não chega nem perto de ser conclusivo, mas se inclina para a antimatéria com uma massa gravitacional positiva, consistente com o princípio da equivalência.

Na mesma linha das respostas anteriores, sugerindo que "massa não pode ser negativa", gostaria de acrescentar uma ideia de por que isso provavelmente pode ser o caso. Se os vários graus de interação do campo de Higgs e das partículas com o campo é o que dá origem ao que chamamos de massa, então a teoria sugere que os fótons não têm massa (e constituem o limite de velocidade no espaço) porque não interagem com eles. o campo de todo. Não acho que a estrutura permita interação negativa com o campo ou um campo "anti-Higgs".

Teoricamente, a gravidade pode ser "atraente" no sentido de que os objetos se movem em sua direção quando pressionados. Isso pode ocorrer a partir de massa negativa (não parece fazer sentido, mas teoricamente possível). Peter Engels e outros escreveram um artigo sobre isso aqui e é uma ideia interessante.

A idéia é que, ao resfriar os átomos até o zero quase absoluto, eles criam um condensado de Bose-Einstein e agem como ondas no domínio da dinâmica quântica.