¿Es posible pensar en un objeto con un potencial gravitacional relativamente más bajo como un objeto con masa negativa?

Una respuesta preliminar a su pregunta: No.

El potencial gravitacional tal como lo conocemos se define por:
[matemáticas] \ int_ {a} ^ {b} \ vec {F} _g \ cdot d \ vec {r} = V (a) – V (b) [/ matemáticas]

Sucede que [math] \ vec {F} _g \ cdot d \ vec {r} [/ math] es el componente de la fuerza gravitacional en la dirección radial [1], entonces a y b son posiciones radiales. Eso significa que lo único que cambia entre los dos potenciales es la “altura” (la distancia radial desde el centro de la fuente gravitacional). La misa no cambia entre los dos.

[1] Como Newton lo determinó, la fuerza gravitacional se define como:
[matemáticas] \ vec {F} _g = G \ frac {Mm} {r ^ 3} \ vec {r} = G \ frac {Mm} {r ^ 2} \ hat {r} [/ math]
Es una fuerza 1 / r ^ 2, y es conservadora, por lo que se aplica la ecuación para el potencial gravitacional, y el producto de punto de la fuerza y ​​el diferencial de posición es solo en la dirección radial.

La respuesta de Patrick es buena, pero la abordaré desde el nivel en que enseño, física de secundaria. Y, por supuesto, la respuesta preliminar sigue siendo: No.

La ecuación simple para la energía potencial gravitacional cerca de la superficie de la Tierra es

[matemáticas] E_g = mgh [/ matemáticas]

y como la altura [matemática] h [/ matemática] puede definirse arbitrariamente, ya se ha dado cuenta de que si [matemática] m_1 [/ matemática] está a una altura inferior a [matemática] m_2 [/ matemática] entonces tiene un menor energía potencial gravitacional. Como la altura es arbitraria, la altura de [math] m_2 [/ math] se puede establecer en cero, dando a la masa [math] m_1 [/ math] una energía potencial gravitacional negativa.

Por supuesto, es la altura negativa la que da este resultado de energía negativa. Pero echemos un vistazo más a fondo, ¿y si [math] m_1 [/ math] realmente fuera negativo? ¿Qué significaría esto? La segunda ley de Newton dice que

[matemáticas] \ sum \ vec {F} = m \ vec {a} [/ matemáticas]

Esto significa que si empujas hacia la derecha en una masa negativa, ¡se aceleraría hacia la izquierda! Esto no es lo que observamos, por lo tanto, la hipótesis es falsa.

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