Relacionado con esta pregunta: ¿Qué es realmente la energía potencial?
- la energía es igual a la masa. Entonces, si un objeto tiene energía potencial gravitatoria en relación con otro objeto, debería tener masa adicional para representar esa energía adicional.
Entonces, si tengo una manzana en la mano, debería tener una gran cantidad de energía potencial gravitacional en relación con un agujero negro en el borde del universo observable. Hice un cálculo rápido de cuánto sería esta energía potencial gravitatoria (usando la Ley de Gravitación de Newton) y resultó ser el equivalente a alrededor de 500 toneladas (¡y eso es solo para un agujero negro! ) .
Entonces, ¿por qué mi manzana no pesa mucho más de lo que parece?
EDITAR: Aquí está mi cálculo del GPE:
Suposiciones:
Obviamente no se puede usar, porque la aceleración gravitacional no es constante y varía con la distancia, por lo que debe integrarse. Usé la Ley de Gravitación de Newton para proporcionar la aceleración:
Un pequeño cambio de altura produce un pequeño cambio de energía, que se puede utilizar para integrar:
Estoy integrando la fuerza a partir de 1 m del centro del agujero negro, a medida que la fuerza llega al infinito en . Es un poco crudo, pero debería proporcionar una estimación conservadora.
Entonces, un poco menos de 500 toneladas, ¡pero todavía bastante grande!
La respuesta corta, como señala Kyle en un comentario, es que su manzana es más grande que su radio de Schwarzschild.
Sin embargo, la respuesta más larga es que la energía potencial gravitacional es una propiedad del sistema como un todo, no de un objeto individual en el sistema. Por lo tanto, no importa que su manzana tenga mucha energía potencial gravitatoria en relación con algún objeto (la Tierra, el Sol, un agujero negro, etc.) a menos que esté preguntando por qué todo el sistema colapsa en un agujero negro (es decir, por qué no que el sistema tierra/sol colapse en un agujero negro). Entonces, si tiene un sistema con una gran cantidad de energía potencial gravitacional, aún debe pensar en la escala del sistema. Si dos objetos pesados juntos tienen una gran cantidad de energía potencial gravitatoria, pero están muy separados, entonces el sistema como un todo (los dos objetos) será mucho más grande que su radio de Schwarzschild.
Editar: respondí esta pregunta cuando el título era "¿Por qué mi manzana no colapsa en un agujero negro?" Sin embargo, la respuesta sigue siendo relevante. La energía potencial gravitatoria es una propiedad del sistema como un todo, no simplemente una partícula constituyente del sistema.
La energía potencial es la cantidad de energía almacenada en un objeto con respecto a un punto de referencia particular . Por ejemplo, mira la imagen de una esfera encima de una tabla a continuación:
Podríamos definir el potencial de la esfera con respecto a la mesa, , o con respecto al suelo, . Claramente, el potencial de las dos posiciones es diferente, ¿eso significa que la masa es diferente? La masa no debería ser diferente simplemente cambiando su punto de referencia, por lo que la masa es la misma. La energía potencial solo importa debido al cambio desde el punto de referencia.
Considere también la definición adecuada de la relación masa-energía de Einstein:
Para un sistema atado que no es lo suficientemente masivo como para curvar significativamente el espacio-tiempo, creo que es cierto que la resistencia del sistema a la aceleración (es decir, su masa inercial) en el marco de reposo de su centro de masa es proporcional a la energía interna total del sistema. . Esto incluiría la energía de masa de todas las partículas constituyentes, la energía cinética de todas las partículas en el marco del centro de masa y la energía potencial interna , definida de modo que la energía potencial cero correspondería a todas las partículas constituyentes que se mueven lejos. lejos el uno del otro (tenga en cuenta que sólo las diferenciasen energía potencial tienen un significado físico real, como la diferencia de potencial entre partículas muy separadas y unidas entre sí; es una cuestión arbitraria qué configuración elegimos para definir como potencial "cero"). Es por eso que, como se indica en esta página , un núcleo de helio que consta de dos protones y dos neutrones en realidad pesa un poco menos que la suma de los pesos de dos protones aislados y dos neutrones aislados, porque si el potencial de estos nucleones se define como cero cuando están muy separados, entonces su energía potencial cuando se unen en un núcleo es negativa. En general, si hay una fuerza de atracción entre dos objetos, entonces los objetos tendrán una energía potencial más baja cuando estén cerca que lejos.
De manera similar, la diferencia de potencial entre una colección de partículas unidas a una manzana y la misma colección si todas las partículas estuvieran dispersas muy separadas contribuye a la masa inercial de la manzana (contribuye negativamente a la masa inercial, lo que hace que la manzana pese un poco menos que la suma de los pesos de todas sus partículas individuales si se midieran cuando estaban muy separadas, ya que las fuerzas que unen las partículas de la manzana son atractivas). Pero la energía potencial de la manzana relativa a algo externo como la Tierra no lo hace, aunque contribuiría a la masa inercial del sistema combinado manzana/Tierra.
Estás leyendo la fórmula al revés. Con
¿Qué pasa con toda la energía potencial que tiene una partícula? Eso debe incluirse en el lado derecho de (1) . Entonces, la versión de (1) que incluye energía potencial sería
Ahora es crucial entender que (como también señaló Phoenix en los comentarios) la energía siempre se define hasta una constante , y lo que importa físicamente en la dinámica de una partícula (o una manzana) es el cambio en la energía entre dos estados (digamos la manzana en el punto A y la manzana en el punto B). Entonces puede ser tan grande como quieras (puede ser infinito para el caso), y eso no cambiaría nada en la dinámica de la manzana. Esta es la forma en que generalmente no se incluye, a menos que la energía gravitatoria juegue un papel en los cálculos. Podría pensar en una versión más general de (1) como algo así como
Para concluir, la masa en llevar la cuenta de las correcciones relativistas es solo
Creo que la cuestión fundamental no tiene nada que ver con los agujeros negros, sino con distinguir entre fuerza gravitatoria (peso) y energía potencial gravitatoria.
El cambio en la energía potencial de la manzana y el agujero negro distante es (si uno lleva a cabo la integral de trayectoria adecuada) bastante grande. Pero la fuerza gravitacional en sí misma es pequeña. Esto es posible porque la fuerza gravitacional es la tasa de cambio espacial (negativa) de la energía potencial gravitatoria; eso es, . Puede haber un gran , pero todavía ser bastante pequeño en algún momento.
Debe haber algún error en tu cálculo. Mi cálculo usando la ley de la gravedad de Newton sugiere que la mitad de la energía de los objetos es energía potencial. Lo siguiente es una simulación de bajar un objeto de 1 kg que cuelga de una cuerda que no se estira hasta el horizonte de eventos de un agujero negro ( versión en línea ).
# A Python script:
G= 6.673*10**-11
M=10**27
m=1.0
c=299792458.0
def swartrad(m):
return (2*G*m) / (c**2)
print "schwartschildradius" , swartrad(M)
def force(m,M,d):
return (G*m*M) /(d**2)
pos=200*swartrad(M)
endpos= swartrad(M)
step=0.001
energy=0
while pos>endpos:
energy += force(m,M, pos)*step
pos -= step
print "potential energy of one kilo" , energy
print "total energy of one kilo " , c**2
print "ratio" , energy / c**2
Básicamente, ha calculado la diferencia de energía potencial en dos puntos y la ha equiparado con la fórmula mc2 como algo válido desde el punto de vista de la conservación de la energía. Sin embargo, cuando su manzana estaba en el agujero negro, asumió que estaba en reposo y, por lo tanto, tenía una energía potencial negativa total igual a su valor de mc2. Luego, cuando lo saca de allí a 60 mil millones de ly, dándole la energía igual a su valor de mc2, se detiene y simplemente cancela el PE negativo que tenía. Entonces pesaría 0,3 kg.
Veo varias cosas mal con su cálculo (por ejemplo, unidades de ?). Pero sobre todo, no estás calculando lo que crees que eres.
1) es el cambio de energía desde donde se establece a la ubicación de la manzana. Dado que el agujero negro está extremadamente lejos, esperaría que este cambio de energía fuera muy grande, como descubrió. Varias personas han hecho comentarios similares: solo el cambio en la energía es relevante aquí, ya que puede establecer el cero de potencial para estar en cualquier lugar que elija.
2) No se puede equiparar este cambio de energía potencial con el resto de la energía de la manzana a través de . Esta energía solo está relacionada con la manzana en sí y no con el entorno o la situación física en la que se encuentra (ya que es el primer componente del cuatro impulso de la manzana en un marco en reposo con respecto a la manzana).
Entonces, su cálculo es algo así como "¿cuál es la masa equivalente asociada con la energía total del sistema manzana-agujero negro?" Tiene mucho sentido que esto sea ridículamente enorme. Imagínese dejar caer su manzana: caería una distancia casi infinita y se movería increíblemente rápido cuando golpee el agujero negro, cuando haya convertido todo su potencial en energía cinética.
En la mecánica de Newton, el enfriamiento del gas ideal libera una cantidad infinita de energía a medida que el gas se contrae en un punto. Eso no es un problema, porque la energía no tiene masa ni peso en la mecánica de Newton.
En relatividad general, puede enfriar el gas ideal y liberar energía al hacerlo. Pero en algún momento la nube de gas se convierte en un agujero negro, que cuando se enfría eventualmente desaparece.
(Si un agujero negro masivo, grande y de baja densidad pudiera convertirse en un agujero negro masivo, pequeño y de alta densidad, entonces es posible imaginar que se liberaría energía cuando el agujero negro colapsara por su propia gravedad, pero tal cosa no sucede en relatividad general.)
También está el hecho de que, en la relatividad general, la energía tiene masa, por lo que si quitas la energía liberada de una nube de gas que se enfría, terminas con un agujero negro con una masa muy baja.
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