¿Por qué la gravedad es solo una fuerza atractiva?

Según la ley universal de la atracción, dos cuerpos (que tienen algo de masa) experimentan una fuerza de "atracción" que es proporcional a ... y ... proporcional inversa ...

Luego viene mi pregunta: ¿Por qué debería ser la fuerza debería ser de tipo 'atracción' solamente? ¿Por qué no debería ser repulsión / cualquier otro tipo de fuerza?

Porque la masa es positiva

Para ampliar su cita sobre la fuerza gravitacional en una ecuación:

La fuerza de gravedad, es proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional a la distancia, r , al cuadrado. Analicemos esto y veamos qué puede causar que F G sea ​​positivo.$F_G$$r$$F_G$

En esta ecuación, no puede ser negativo porque es una distancia entre dos ubicaciones. Dos ubicaciones no pueden estar a una distancia negativa. E incluso si de alguna manera lo fueran, el cuadrado se encargaría de eso de todos modos.$r$

es la constante universal y siempre positiva. Podría argumentar que posiblemente podría ser negativo, pero eso no es posible. G en realidad no existe realmente. No describe nada fundamental para la física del universo. G es simplemente una constante de contabilidad que nos permite obtener la respuesta correcta para la fuerza basada en cualquier elección de unidades de masa y distancia. Técnicamente, si uno usa las unidades "correctas" para masa y distancia (por ejemplo, lasunidades de Planck), entonces G = 1 y efectivamente no existe. Dado que G es solo un factor de escala que depende de la elección de las unidades, solo será un número positivo.$G$$G$$G$$G=1$$G$

Eso nos deja con las masas. Estas son las únicas cosas que podrían ser negativas. Por supuesto, para obtener una fuerza positiva y repulsiva, una masa tendría que ser positiva y la otra negativa. Pero, ¿qué es exactamente una masa negativa? La masa es la métrica que describe "cuánto" de algo hay. ¿Cómo puedes tener menos que nada de algo?

¿Por qué la masa no puede ser negativa?

Si quiere ver esto de otra manera, puede demostrar que si la masa pudiera ser negativa, ¡obtendría resultados sin sentido! Suponiendo, por supuesto, que todos los demás aspectos de la física fueran iguales. Recordemos de la segunda ley de Newton que

Digamos que hay dos bloques sentados en una mesa. Un bloque tiene una masa que es positiva y el otro tiene una masa m 2 < 0 que es negativa. Ignora todas las demás fuerzas en estos dos bloques por el momento.$m_1>0$$m_2<0$

Subo a y aplico una fuerza para empujar esta masa hacia adelante. La aceleración que se induce es: a = F / m 1 . Necesariamente , la dirección en la que m 1 se mueve es la misma dirección en la que estoy empujando. Eso está muy bien.$m_1$$a = F/m_1$$m_1$

$m_2$$m_2$$a = -F/|m_2|$$m_2$positivo y sacó el signo negativo. ¡Puedes ver que si mi fuerza es hacia adelante, la dirección en que se mueve la masa será hacia atrás! Pero aquí está el problema, mi mano está en el camino porque está tratando de empujar a la masa. A medida que la masa intenta moverse hacia atrás en mi mano, aplicará una fuerza sobre mi mano, lo que, según la tercera ley de Newton, significa necesariamente que mi mano está aplicando más fuerza en el bloque, que luego aplica más fuerza en mi mano. .. y de repente se están aplicando fuerzas infinitas o de manera equivalente, estos objetos se aceleran infinitamente. Esto se describe por el concepto de Runaway Motion .

Si esto te parece extraño, es porque lo es. Si existieran masas negativas, viviríamos en un universo muy extraño. Afortunadamente, vivimos en un universo donde la física tiene sentido, la masa es positiva y, por extensión, la gravedad siempre es atractiva.

¿Por qué la gravedad es solo una fuerza atractiva?

TL; DR
Porque la masa siempre es positiva.

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

Pero, ¿y si no son equivalentes?

A diferencia de las matemáticas, donde uno simplemente puede hacer una suposición y ver a dónde conduce, las suposiciones en física deben ser validadas. Esta suposición ha sido probada con muchos tipos de materiales, tanto en el suelo como en el espacio. Se han realizado variaciones en el experimento de Cavendish utilizando diferentes tipos de materiales. Dentro de los límites de la precisión bastante pésima de la constante gravitacional (una parte por cada diez mil, en el mejor de los casos), cada uno de estos es consistente con la hipótesis nula (la masa gravitacional y la inercial son iguales) e inconsistente con la hipótesis de que diferentes materiales tienen masas gravitacionales e inerciales apreciablemente diferentes.

La Luna de la Tierra, con su lado cercano y lejano muy diferentes, proporciona un mecanismo aún mejor para probar esta equivalencia. En lugar de la precisión de una parte por cada diez mil (en el mejor de los casos) disponible para los experimentos al estilo Cavendish, la Luna muestra que la masa gravitacional e inercial para el sodio y el hierro son equivalentes a aproximadamente una parte por cada diez billones .

Demasiado para la materia ordinaria, pero ¿qué pasa con la antimateria?

Se ha probado una y otra vez que una partícula de materia ordinaria y su equivalente de antimateria tienen la misma masa inercial (positiva) en colisionadores de partículas en todo el mundo. Si el principio de equivalencia también se aplica a la antimateria sigue siendo una pregunta un tanto abierta. Si bien hay muchas razones para pensar que el principio de equivalencia se aplica tanto a la antimateria como a la materia normal, probar que este es el caso es muy difícil. Los mejores resultados hasta la fecha provienen del experimento ALPHA, que evalúa si el antihidrógeno neutro (un antiprotón y un positrón) cae o baja. Los resultados son que la masa gravitacional del antihidrógeno se encuentra en algún lugar entre -65 y 120 veces su masa inercial. Esto no está cerca de ser concluyente, pero se inclina hacia la antimateria que tiene una masa gravitacional positiva, consistente con el principio de equivalencia.

En la misma línea con respuestas anteriores que sugieren que "la masa no puede ser negativa", me gustaría agregar una idea de por qué ese podría ser el caso. Si el campo de Higgs y los diversos grados de interacción de las partículas con el campo es lo que da lugar a lo que llamamos masa, entonces la teoría sugiere que los fotones no tienen masa (y constituyen el límite de velocidad a través del espacio) porque no interactúan con el campo en absoluto. No creo que el marco permita la interacción negativa con el campo o un campo "anti-Higgs".

Teóricamente, la gravedad puede ser "atractiva" en el sentido de que los objetos se mueven hacia ti cuando son empujados. Esto puede ocurrir a partir de una masa negativa (no parece tener sentido, pero teóricamente es posible). Peter Engels y otros han escrito un artículo al respecto aquí y es una idea interesante.

La idea es que al enfriar los átomos a un cero casi absoluto, crean un condensado de Bose-Einstein y actúan como ondas en el ámbito de la dinámica cuántica.