¿Existe una explicación intuitiva de por qué la gravedad fuera de una esfera es la misma que si la masa de la esfera estuviera solo en su centro?

No, no hay una explicación intuitiva. Este es un “accidente” de las matemáticas en la gravedad newtoniana. En realidad es una pregunta bastante profunda.

La propiedad de que el campo externo de un objeto esféricamente simétrico es independiente de la estructura interna se conoce en la literatura como el principio de borrado . Sin embargo, el principio de borrado se viola en la Relatividad general cuando agrega detalles suficientes [1] a los cálculos.

El principio de borrado también se viola en otras teorías de la gravedad. Por lo tanto, es una propiedad especial de las matemáticas de la gravedad newtoniana que se obtiene el principio de borrado.

Como esta no es una propiedad genérica de las teorías de la gravedad, no creo que pueda ser “intuida”.

Sin embargo, existe el principio de que lo suficientemente lejos, solo importa la masa total. Los cuerpos de cierta extensión se describen completamente por sus “momentos multipolares”, que son objetos matemáticos que cuantifican cómo se distribuye la masa en todo el cuerpo. El momento multipolo cero es solo la masa total del cuerpo. En general, los momentos de origen multipolo más bajos generan campos que caen más lentamente que los momentos más altos. Una vez que te alejas lo suficiente, solo la masa total es realmente importante.

[1] Por detalles suficientes, quiero decir ir a un orden suficientemente alto en la expansión post-newtoniana. Es decir, en la expansión de poderes de [matemáticas] G / c ^ 2 [/ matemáticas], vas a un orden suficientemente alto.

En realidad, el principio de borramiento también se mantiene en la relatividad general. Como lo hace en la teoría EM clásica. En GR, esto se desprende de argumentos similares a los que subyacen en el teorema de Schwartzchild ‘sin pelo’.

Básicamente tiene que ver con la simetría esférica, ya que cada punto fuera de la esfera ve la misma geometría, y la única variación es qué tan lejos está del centro de la esfera. Cuando realiza todas las integraciones adecuadas, la respuesta es equivalente a tener una masa M (masa total de esfera) en el centro, y por lo tanto el campo gravitacional es:

-GM / (r) ^ 2, donde es r es la distancia desde el centro de la esfera hasta el punto donde está tratando de medir el campo. Se pueden encontrar más detalles en el siguiente enlace:

http://galileo.phys.virginia.edu

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