Warum scheint die Schwerkraft Energie aus dem Nichts zu bekommen?

Sie haben einige Formen potenzieller Energiespeicher beschrieben, die im Laufe der Zeit Energie „verlieren“. Wenn eine radioaktive Probe zerfällt, wird potenzielle Energie in den Atomen in andere Energieformen umgewandelt. Eine geladene Batterie kann mit der Zeit an Ladung verlieren, da die chemische Energie in der Batterie langsam an die Umgebung abgegeben wird. Ein Kondensator kann potentielle Energie halten, die entladen wird, wenn sich die Platten berühren. Ein Wasserturm mit einem kleinen Loch am Boden wird buchstäblich undicht sein und die im Wasser gespeicherte potenzielle Energie verlieren. All dies sind Formen potenzieller Energiespeicher, die im Laufe der Zeit scheinbar spontan Energie "verlieren", aber in Wirklichkeit können wir tatsächlich verfolgen, wie diese Energie aus dem Speichergerät sickert und in andere Formen umgewandelt wird - die Energie ist nie wirklich " verloren", es geht einfach woanders hin.

Gravitationspotentialenergie ist nicht anders. Nicht unterstützte Objekte fallen spontan zu Boden und zerstreuen die potenzielle Energie, die sie einst hatten. Wenn Berge erodieren und niedriger werden, enthalten sie weniger potenzielle Energie. Um die potenzielle Gravitationsenergie in einem System aufrechtzuerhalten, müssten Sie jeden Kieselstein, der einen Berg hinunterrollte, zurück zu seinem Ausgangspunkt heben und Arbeit leisten, um die potenzielle Energie „aufgefüllt“ zu halten, genau so wie Sie Möglicherweise müssen Sie einen Akku aufladen, der sich über einen längeren Zeitraum langsam entladen hat. Keine Energieform muss grundsätzlich "erhalten" werden, nur sind die meisten Formen der Energiespeicherung nicht perfekt und geben diese Energie in andere Formen ab.

Die Tatsache, dass ein Objekt mit zunehmender Masse eine größere Gravitationskraft ausübt, sagt nichts über die Energie des Systems aus. Ein großer Meteor weit entfernt von der Erde hat eine große potenzielle Gravitationsenergie, die bei einem Zusammenstoß mit der Erde vernichtet würde. Danach hat die Erde nun eine größere Masse und übt eine größere Gravitationskraft auf andere entfernte Objekte aus, aber das Gravitationspotential des Erde-Meteor-Systems wird vollständig dissipiert.

Der Virialsatz gilt für Gravitationskräfte, mit dem Ergebnis, dass in einem gebundenen System die durchschnittliche kinetische Energie$K$ist halb so groß wie die durchschnittliche potentielle Energie$U$:

Dies ist in einem Bild, in dem wir uns ein System als „gebunden“ vorstellen, wenn es seine gesamte Energie hat$K+U<0$ist negativ, weil die Teilchen nicht genug kinetische Energie haben, um ins Unendliche zu entweichen.

Wenn wir genug gebundene gravitativ wechselwirkende Teilchen haben, dass wir sie uns als „ein Gas“ vorstellen können, dann verhält sich die Temperatur dieses Gases wie die kinetische Energie,$T\propto\left<K\right>$. Dies ergibt das überraschende Ergebnis, dass die Wärmekapazität eines gravitativ gebundenen Systems negativ ist:

Dies unterscheidet sich von unseren üblichen Erfahrungen mit der Wärmekapazität. Wenn ich einem Eisenblock Energie zuführe, wird er im Allgemeinen heißer. Aber wenn ich einem Gravitationssystem Energie hinzufüge, wird es im Allgemeinen größer und alle Umlaufbahnen werden langsamer .

Überlegen Sie zum Beispiel, was mit einem Stern passiert, wenn ihm der Wasserstoff in seinem Kern ausgeht und die Fusion verlangsamt wird. Es ist die Energie aus der Fusion, die den Stern hochhält, sodass die äußeren Schichten beginnen, den Kern zu komprimieren … wodurch er heißer wird. Wenn diese Kompression lange genug andauert, wird der Kern heiß genug, um die Helium-„Asche“ zu verbrennen, die von der Wasserstofffusion übrig geblieben ist. Das Verbrennen von Helium ist viel energiereicher als das Verbrennen von Wasserstoff, sodass sich der Stern insgesamt aufheizt … wodurch sich die äußeren Schichten des Sterns ausdehnen und abkühlen. Wenn dies unserer Sonne widerfährt, wird sie zu einem „roten Riesenstern“: Ihre Oberfläche wird kühler sein als jetzt, aber ihre Gesamthelligkeit wird zunehmen. Bei einigen „variablen“ Sternen kann die Rückkopplung zwischen diesen Prozessen den Stern zum Schwingen bringen.

Der „Endpunkt“ für ein gravitationsgebundenes System ist, wenn die gesamte Masse zu einem Schwarzen Loch kollabiert ist. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass Schwarze Löcher Hawking-Strahlung mit einer Temperatur wie z$T \propto 1/M$, und Schwarze Löcher haben immer noch eine negative Wärmekapazität. Ein Schwarzes Loch in einer heißen Umgebung ist ein Nettoabsorber von Strahlung und wird größer und kälter. Ein Schwarzes Loch in einer kalten Umgebung ist ein Nettoemittent von Strahlung und wird kleiner und heißer.

Deshalb kann man einem Gravitationssystem scheinbar ewig Energie entziehen: Je mehr Energie man entzieht, desto heißer wird es. Negative Wärmekapazitäten sind seltsam.

Warum scheint die Schwerkraft Energie aus dem Nichts zu bekommen?

Ihr vermischt Konzepte von Energie und Kraft. Die Gravitationskraft "bekommt keine Energie", aber sie wirkt auf ein Objekt, wenn sich das Objekt bewegt. Die Arbeit ist eine skalare Größe, die als Kraft über Verschiebung definiert ist

Wenn es keine Verschiebung gibt, wird keine Arbeit geleistet!

Ein positiv geladenes Objekt wird neutral, wenn es ein negativ geladenes Objekt berührt, und hört auf, andere negativ geladene Objekte anzuziehen.

Dies ist wahr, weil die elektromagnetische Kraft sowohl anziehend als auch abstoßend sein kann, während die Gravitationskraft nur anziehend ist. Beachten Sie, dass es vier bekannte Grundkräfte gibt – Gravitation, elektromagnetische, starke und schwache. Diese können nicht durch eine grundlegendere Kraft* erklärt werden, es ist einfach so, wie die Natur funktioniert. Vielleicht gelingt es den Wissenschaftlern eines Tages, den gemeinsamen Nenner für alle vier Kräfte zu finden – siehe Grand Unified Theory für weitere Details.

Was verursacht diese Anomalie?

Es gibt keine Anomalie. Gravitationskraft ist nur deshalb anziehend, weil Masse im Gegensatz zu Ladung nur positiv ist.

Zusammenfassend benötigen elektrische, magnetische und nukleare Kräfte Energie, um aufrechterhalten zu werden. Warum benötigt die Schwerkraft diese Erhaltungsenergie nicht?

Keine fundamentale Kraft braucht Energie, um "aufrechterhalten" zu werden . Beachten Sie, dass Energie ein abstraktes Konzept ist, das genau das ist – eine Abstraktion . Es wurde erkannt, dass die Arbeitsgleichung nützliche Ergebnisse liefert, und so wurde das Konzept der Energie in die Physik eingeführt.

Beantworten Sie diese Frage – wie viel Arbeit wird verrichtet, während Sie bewegungslos auf Ihrem Stuhl sitzen? Die Gravitationskraft zieht Sie nach unten in Richtung Erdmittelpunkt, aber in diesem Beispiel funktioniert sie nicht.

Was mir aufgefallen ist, ist, dass Schüler normalerweise Arbeit (Energie) mit der Anstrengung in Verbindung bringen, die sie aufbringen müssen, um etwas zu tragen, zu gehen, zu klettern, zu schwimmen usw. Obwohl es einige Ähnlichkeiten gibt, sollten Sie die Arbeit, wie sie in der Physik definiert ist, nicht mit der Anstrengung in Beziehung setzen Sie investieren, um etwas "Arbeit" zu erledigen. Wenn Sie zum Beispiel einen schweren Gegenstand halten, ohne ihn zu bewegen, obwohl Sie sich angestrengt fühlen und gerne etwas arbeiten, tun Sie, soweit es die Physik betrifft, keine Arbeit.

^{*Eigentlich ist die elektroschwache Wechselwirkung die einheitliche Beschreibung elektromagnetischer und schwacher fundamentaler Kräfte. Weitere Informationen finden Sie hier: "Elektroschwache Wechselwirkung"}