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Acción a distancia

La acción a distancia es el concepto físico que establece que el movimiento de un objeto puede verse afectado por otro sin que exista contacto físico entre ellos ; es decir, se ...

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La acción a distancia es el concepto físico que establece que el movimiento de un objeto puede verse afectado por otro sin que exista contacto físico entre ellos ; es decir, se trata de la interacción no local entre objetos separados en el espacio. La ley de Coulomb y la ley de gravitación universal de Newton se basan en la acción a distancia.

Históricamente, la acción a distancia fue el primer modelo científico para la gravedad y la electricidad , y sigue siendo útil en muchos casos prácticos. En los siglos XIX y XX, surgieron modelos de campo para explicar estos fenómenos con mayor precisión. El descubrimiento de los electrones y de la relatividad especial dio lugar a nuevos modelos de acción a distancia que ofrecieron una alternativa a las teorías de campo. Según la comprensión moderna, las cuatro interacciones fundamentales (gravedad, electromagnetismo , interacción fuerte e interacción débil ) en toda la física no se describen mediante la acción a distancia.

Categorías de acción

En el estudio de la mecánica , la acción a distancia es una de las tres acciones fundamentales sobre la materia que causan movimiento. Las otras dos son el impacto directo ( colisiones elásticas o inelásticas ) y las acciones en un medio continuo , como en la mecánica de fluidos o la mecánica de sólidos . [ 1 ] : 338 Históricamente, las explicaciones físicas de fenómenos particulares han oscilado entre estas tres categorías a lo largo del tiempo, a medida que se desarrollaban nuevos modelos.

La acción a distancia y la acción en un medio continuo pueden distinguirse fácilmente cuando la dinámica del medio es visible, como las ondas en el agua o en un sólido elástico. En el caso de la electricidad o la gravedad, no se requiere un medio. En el siglo XIX, criterios como el efecto de las acciones sobre la materia intermedia, la observación de un retardo temporal, el aparente almacenamiento de energía o incluso la posibilidad de un modelo mecánico plausible para la transmisión de la acción se aceptaban como evidencia en contra de la acción a distancia. [ 2 ] : 198 Las teorías del éter fueron propuestas alternativas para reemplazar la aparente acción a distancia en la gravedad y el electromagnetismo, en términos de acción continua dentro de un medio (invisible) llamado "éter". [ 1 ] : 338

El impacto directo de objetos macroscópicos parece visualmente distinguible de la acción a distancia. Sin embargo, si los objetos están formados por átomos , y el volumen de esos átomos no está definido y los átomos interactúan mediante fuerzas eléctricas y magnéticas, la distinción es menos clara. [ 2 ]

Roles

El concepto de acción a distancia desempeña múltiples funciones en física y puede coexistir con otros modelos según las necesidades de cada problema físico.

Una de sus funciones es la de resumen de fenómenos físicos, independientemente de cualquier comprensión de la causa de dicha acción. [ 1 ] Por ejemplo, las tablas astronómicas de posiciones planetarias pueden resumirse de forma concisa utilizando la ley de gravitación universal de Newton , que supone que los planetas interactúan sin contacto ni medio intermedio. Como resumen de datos, el concepto no necesita ser evaluado como un modelo físico plausible.

La acción a distancia también actúa como un modelo que explica fenómenos físicos incluso en presencia de otros modelos. Nuevamente, en el caso de la gravedad, la hipótesis de una fuerza instantánea entre masas permite predecir el tiempo de retorno de los cometas , así como la existencia de planetas previamente desconocidos, como Neptuno . [ 3 ] : 210 Estos triunfos de la física precedieron en muchas décadas al modelo alternativo más preciso para la gravedad basado en la relatividad general.

Los libros de texto de física introductoria abordan las fuerzas centrales , como la gravedad, mediante modelos basados ​​en la acción a distancia, sin analizar la causa de dichas fuerzas ni los problemas relacionados con ella hasta que se tratan los temas de la relatividad y los campos . Por ejemplo, véase Las Lecciones de Física de Feynman sobre la gravedad. [ 4 ]

Historia

Primeras investigaciones sobre el movimiento

La acción a distancia como concepto físico requiere identificar objetos, distancias y su movimiento. En la antigüedad, las ideas sobre el mundo natural no se organizaban en estos términos. Los objetos en movimiento se modelaban como seres vivos. [ 1 ] Alrededor de 1600, el método científico comenzó a arraigarse. René Descartes sostuvo una visión más fundamental, desarrollando ideas de materia y acción independientes de la teología. Galileo Galilei escribió sobre mediciones experimentales de objetos que caían y rodaban. Las leyes del movimiento planetario de Johannes Kepler resumieron las observaciones astronómicas de Tycho Brahe . [ 2 ] : 132 Muchos experimentos con materiales eléctricos y magnéticos llevaron a nuevas ideas sobre las fuerzas. Estos esfuerzos prepararon el terreno para el trabajo de Newton sobre las fuerzas y la gravedad.

gravedad newtoniana

En 1687, Isaac Newton publicó sus Principia , que combinaban sus leyes del movimiento con un nuevo análisis matemático capaz de reproducir los resultados empíricos de Kepler. [ 2 ] : 134 Su explicación se presentó en forma de ley de gravitación universal : dos cuerpos cualesquiera son atraídos por una fuerza proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. [ 5 ] : 28 Así, se predijeron los movimientos de los planetas asumiendo fuerzas que actúan a grandes distancias.

Esta expresión matemática de la fuerza no implicaba una causa. Newton consideraba que la acción a distancia era un modelo inadecuado para la gravedad. [ 6 ] Newton, en sus propias palabras, consideraba que la acción a distancia era:

Es un absurdo tan grande que creo que ningún hombre que tenga una facultad de pensamiento competente en materia filosófica puede caer jamás en él. [ 7 ]

— Isaac Newton, Cartas a Bentley, 1692/3

Los científicos metafísicos de principios del siglo XVIII se opusieron firmemente a la acción a distancia no explicada en la teoría de Newton. Gottfried Wilhelm Leibniz se quejó de que el mecanismo de la gravedad era "invisible, intangible y no mecánico". [ 1 ] : 339 Además, las comparaciones iniciales con datos astronómicos no fueron favorables. A medida que las técnicas matemáticas mejoraron a lo largo del siglo XVIII, la teoría mostró un éxito creciente, prediciendo la fecha del regreso del cometa Halley [ 8 ] y ayudando al descubrimiento del planeta Neptuno en 1846. [ 9 ] Estos éxitos y el enfoque cada vez más empírico de la ciencia hacia el siglo XIX llevaron a la aceptación de la teoría de la gravedad de Newton a pesar del rechazo a la acción a distancia. [ 1 ]

Acción eléctrica a distancia

Jean-Antoine Nollet reproduce el experimento del "niño eléctrico" de Stephan Gray, en el que un niño colgado de cuerdas de seda aislantes recibe una descarga eléctrica. Un grupo de personas se reúne alrededor. Se anima a una mujer a inclinarse hacia adelante y tocar la nariz del niño para que reciba una descarga eléctrica. [ 10 ] : 489

Los fenómenos eléctricos y magnéticos también comenzaron a explorarse sistemáticamente a principios del siglo XVII. En la teoría temprana de William Gilbert sobre los "efluvios eléctricos", una especie de atmósfera eléctrica, descarta la acción a distancia argumentando que "la materia no puede realizar ninguna acción salvo por contacto". [ 11 ] Sin embargo, experimentos posteriores, especialmente los de Stephen Gray, mostraron efectos eléctricos a distancia. Gray desarrolló un experimento llamado "el niño eléctrico" que demostraba la transferencia eléctrica sin contacto directo. [ 10 ] Franz Aepinus fue el primero en demostrar, en 1759, que una teoría de la acción a distancia para la electricidad proporciona una alternativa más sencilla a la teoría de los efluvios eléctricos. [ 5 ] : 42 A pesar de este éxito, el propio Aepinus consideraba que la naturaleza de las fuerzas no estaba explicada: "no aprobaba la doctrina que presupone la posibilidad de acción a distancia", preparando el terreno para un cambio hacia teorías basadas en el éter. [ 11 ] : 549

En 1785, Charles-Augustin de Coulomb demostró que dos cargas eléctricas en reposo experimentan una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, un resultado que hoy se conoce como la ley de Coulomb . La sorprendente similitud con la gravedad reforzó la hipótesis de la acción a distancia, al menos como modelo matemático. [ 12 ]

A medida que los métodos matemáticos mejoraron, especialmente gracias al trabajo de Pierre-Simon Laplace , Joseph-Louis Lagrange y Siméon Denis Poisson , métodos matemáticos más sofisticados comenzaron a influir en el pensamiento de los científicos. El concepto de energía potencial aplicado a pequeñas partículas de prueba condujo al concepto de campo escalar , un modelo matemático que representa las fuerzas en todo el espacio. Si bien este modelo matemático no es un medio mecánico, la imagen mental de dicho campo se asemeja a un medio. [ 2 ] : 197

Campos como alternativa

Marco acristalado que contiene "Delimitación de líneas de fuerza magnética mediante limaduras de hierro", obra de Michael Faraday.

Michael Faraday fue el primero en sugerir que la acción a distancia era inadecuada como explicación de las fuerzas eléctricas y magnéticas, incluso en forma de campo potencial (matemático). [ 1 ] : 341 Faraday, un experimentalista empírico, citó tres razones para apoyar la existencia de un medio que transmitiera fuerza eléctrica: 1) la inducción electrostática a través de un aislante depende de la naturaleza del aislante, 2) cortar un aislante cargado provoca la aparición de cargas opuestas en cada mitad, y 3) las chispas de descarga eléctrica se curvan en un aislante. A partir de estas razones, concluyó que las partículas de un aislante deben estar polarizadas , contribuyendo cada partícula a una acción continua. También experimentó con imanes, demostrando líneas de fuerza visibles mediante limaduras de hierro. Sin embargo, en ambos casos, su modelo de campo depende de partículas que interactúan a través de una acción a distancia: su modelo mecánico de campo no tiene una causa física más fundamental que el modelo de campo central de largo alcance. [ 1 ] : 348

Las observaciones de Faraday, así como las de otros, llevaron a James Clerk Maxwell a una formulación revolucionaria en 1865: un conjunto de ecuaciones que combinaban electricidad y magnetismo, tanto estáticos como dinámicos, e incluían la radiación electromagnética (luz). [ 5 ] : 253 Maxwell comenzó con elaborados modelos mecánicos, pero finalmente desarrolló un tratamiento puramente matemático utilizando campos vectoriales dinámicos . La idea de que estos campos debían vibrar para propagar la luz impulsó la búsqueda de un medio de propagación; este medio se denominó éter luminífero o éter . [ 5 ] : 279

En 1873, Maxwell abordó explícitamente la acción a distancia. [ 13 ] Revisa las líneas de fuerza de Faraday, señalando cuidadosamente que el propio Faraday no proporcionó un modelo mecánico de estas líneas en términos de un medio. Sin embargo, las numerosas propiedades de estas líneas de fuerza implican que «no deben considerarse meras abstracciones matemáticas». El propio Faraday las veía como un modelo, una «valiosa ayuda» para el experimentalista, un medio para sugerir experimentos adicionales.

Para distinguir entre diferentes tipos de acción, Faraday propuso tres criterios: 1) ¿la acción se ve alterada por objetos materiales adicionales?, 2) ¿la acción requiere tiempo?, y 3) ¿depende del receptor? En el caso de la electricidad, Faraday sabía que se cumplían los tres criterios, pero se creía que la gravedad solo cumplía el tercero. Después de Maxwell, se añadió un cuarto criterio: la transmisión de energía, que se pensaba que también se aplicaba a la electricidad, pero no a la gravedad. Con el surgimiento de nuevas teorías sobre la gravedad, la explicación moderna le otorgaría a esta todos los criterios, excepto la dependencia de objetos adicionales.

Los campos se desvanecen en el espacio-tiempo.

El éxito de las ecuaciones de campo de Maxwell impulsó numerosos esfuerzos en las últimas décadas del siglo XIX para representar campos eléctricos, magnéticos y gravitacionales, principalmente con modelos mecánicos. [ 5 ] : 279 No surgió ningún modelo que explicara los fenómenos existentes. En particular, no se encontró un buen modelo para la aberración estelar , el cambio en la posición de las estrellas con la velocidad relativa de la Tierra. Los mejores modelos requerían que el éter permaneciera estacionario mientras la Tierra se movía, pero los esfuerzos experimentales para medir el efecto del movimiento de la Tierra a través del éter no encontraron ningún efecto.

En 1892, Hendrik Lorentz propuso un éter modificado basado en el modelo molecular microscópico emergente en lugar de la teoría continua estrictamente macroscópica de Maxwell. [ 14 ] : 326 Lorentz investigó la interacción mutua de electrones solitarios en movimiento dentro de un éter estacionario. [ 5 ] : 393 Redirigió las ecuaciones de Maxwell de esta manera, pero, críticamente, en el proceso las cambió para representar la onda en las coordenadas de los electrones en movimiento. Demostró que las ecuaciones de onda tenían la misma forma si se transformaban usando un factor de escala particular , γ=11−(tú2/do2).{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-(u^{2}/c^{2})}}}.} dóndetú{\displaystyle u}es la velocidad de los electrones en movimiento ydo{\displaystyle c}es la velocidad de la luz. Lorentz observó que si este factor se aplicara como una contracción de longitud a la materia en movimiento en un éter estacionario, eliminaría cualquier efecto del movimiento a través del éter, en concordancia con el experimento.

En 1899, Henri Poincaré cuestionó la existencia del éter, demostrando que el principio de relatividad prohíbe el movimiento absoluto asumido por los defensores del modelo del éter. Denominó a la transformación utilizada por Lorentz transformación de Lorentz , pero la interpretó como una transformación entre dos sistemas de referencia inerciales con velocidad relativa.tú{\displaystyle u}Esta transformación hace que las ecuaciones electromagnéticas parezcan iguales en cualquier sistema de referencia inercial en movimiento uniforme. Luego, en 1905, Albert Einstein demostró que el principio de relatividad, aplicado a la simultaneidad del tiempo y la velocidad constante de la luz, predice con precisión la transformación de Lorentz. Esta teoría de la relatividad especial se convirtió rápidamente en el concepto moderno de espacio-tiempo .

Así, el modelo del éter, inicialmente tan diferente de la acción a distancia, cambió lentamente hasta asemejarse al simple espacio vacío. [ 5 ] : 393

En 1905, Poincaré propuso que las ondas gravitacionales , que emanan de un cuerpo y se propagan a la velocidad de la luz, eran necesarias para las transformaciones de Lorentz [ 15 ] y sugirió que, por analogía con una carga eléctrica acelerada que produce ondas electromagnéticas , las masas aceleradas en una teoría relativista de la gravedad deberían producir ondas gravitacionales. [ 16 ] Sin embargo, hasta 1915 la gravedad se mantuvo como una fuerza descrita aún por la acción a distancia. Ese año, Einstein demostró que una teoría de campo del espacio-tiempo, la relatividad general , consistente con la relatividad, puede explicar la gravedad. Los nuevos efectos resultantes de esta teoría fueron trascendentales para la cosmología , pero menores para el movimiento planetario y la física en la Tierra. El propio Einstein destacó el "enorme éxito práctico" de Newton. [ 17 ]

Acción moderna a distancia

En las primeras décadas del siglo XX, Karl Schwarzschild , [ 18 ] Hugo Tetrode , [ 19 ] y Adriaan Fokker [ 20 ] desarrollaron independientemente modelos no instantáneos para la acción a distancia consistentes con la relatividad especial. En 1949 John Archibald Wheeler y Richard Feynman se basaron en estos modelos para desarrollar una nueva teoría del electromagnetismo sin campo. Si bien las ecuaciones de campo de Maxwell son generalmente exitosas, el modelo de Lorentz de un electrón en movimiento que interactúa con el campo encuentra dificultades matemáticas: la autoenergía de la carga puntual en movimiento dentro del campo es infinita. [ 21 ] : 187 La teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman del electromagnetismo evita el problema de la autoenergía. [ 21 ] : 213 Interpretan la fuerza de Abraham-Lorentz , la fuerza aparente que se resiste a la aceleración del electrón, como una fuerza real que regresa de todas las demás cargas existentes en el universo.

La teoría de Wheeler-Feynman ha inspirado nuevas ideas sobre la flecha del tiempo y la naturaleza de la no localidad cuántica . [ 22 ] La teoría tiene implicaciones para la cosmología; se ha extendido a la mecánica cuántica . [ 23 ] Se ha aplicado un enfoque similar para desarrollar una teoría alternativa de la gravedad consistente con la relatividad general. [ 24 ] John G. Cramer ha extendido las ideas de Wheeler-Feynman para crear la interpretación transaccional de la mecánica cuántica.

"Acción escalofriante a distancia"

Aunque Albert Einstein desempeñó un papel fundamental en el desarrollo de la mecánica cuántica, él mismo nunca aceptó completamente la teoría. Si bien reconocía que hacía predicciones correctas, creía que debía ser posible una descripción más fundamental de la naturaleza. A lo largo de los años presentó múltiples argumentos en este sentido, pero el que más le convencía se remontaba a un debate con Bohr en 1930. Einstein propuso un experimento mental en el que se permite que dos objetos interactúen y luego se separan a gran distancia. La descripción cuántico-mecánica de los dos objetos es una entidad matemática conocida como función de onda . Si se conoce la función de onda que describe a los dos objetos antes de su interacción, la ecuación de Schrödinger proporciona la función de onda que los describe después de su interacción. Pero debido a lo que más tarde se denominaría entrelazamiento cuántico , medir un objeto conllevaría un cambio instantáneo en la función de onda que describe al otro objeto, sin importar la distancia. Además, la elección de la medición que se realice sobre el primer objeto afectaría la función de onda resultante para el segundo objeto. Einstein razonó que ninguna influencia podía propagarse del primer objeto al segundo de forma instantánea. De hecho, argumentó que la física depende de poder distinguir una cosa de otra, y tales influencias instantáneas pondrían eso en entredicho. Dado que la verdadera "condición física" del segundo objeto no podía alterarse inmediatamente mediante una acción realizada sobre el primero, Einstein concluyó que la función de onda no podía ser esa verdadera condición física, sino solo una descripción incompleta de la misma. [ 25 ] [ 26 ]

En 1947, Einstein expresó su descontento con la teoría cuántica en una carta a Max Born . «No puedo creer seriamente en la mecánica cuántica», escribió, «porque la teoría no se puede conciliar con la idea de que la física debería representar una realidad en el tiempo y el espacio, libre de acciones fantasmales a distancia». [ 27 ]

En 1964, John Stewart Bell profundizó considerablemente en el análisis del entrelazamiento cuántico al demostrar la primera versión del teorema de Bell . En el contexto de este teorema, "local" se refiere al principio de localidad , la idea de que una partícula solo puede verse influenciada por su entorno inmediato y que las interacciones mediadas por campos físicos no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz . Las " variables ocultas " son supuestas propiedades de las partículas cuánticas que no están incluidas en la teoría cuántica, pero que, sin embargo, afectan el resultado de los experimentos. En palabras de Bell: "Si [una teoría de variables ocultas] es local, no concordará con la mecánica cuántica, y si concuerda con ella, no será local". [ 28 ]

En su artículo original, [ 29 ] Bell dedujo que si las mediciones se realizan de forma independiente en las dos partículas separadas de un par entrelazado, entonces la suposición de que los resultados dependen de variables ocultas dentro de cada mitad implica una restricción matemática sobre cómo se correlacionan los resultados de las dos mediciones. Dicha restricción se denominaría más tarde desigualdad de Bell. Bell demostró entonces que la física cuántica predice correlaciones que violan esta desigualdad . En los años posteriores a su artículo original, se propusieron múltiples variaciones del teorema de Bell, utilizando diferentes supuestos y obteniendo diferentes desigualdades de Bell (o de "tipo Bell"). [ 30 ]

La expresión «acción fantasmal a distancia» se ha adoptado para describir la violación de las desigualdades de Bell. Si estos fenómenos implican una acción real a distancia, o en otras palabras, si la necesidad de no localidad en los modelos de variables ocultas implica una verdadera no localidad en la naturaleza, es un tema de debate. [ 31 ] [ 7 ] [ 32 ]

Fuerza en la teoría cuántica de campos

La teoría cuántica de campos no requiere acción a distancia. En su nivel más fundamental, solo se necesitan cuatro fuerzas. Cada fuerza se describe como resultado del intercambio de bosones específicos . Dos son de corto alcance: la interacción fuerte mediada por mesones y la interacción débil mediada por el bosón débil ; dos son de largo alcance: el electromagnetismo mediado por el fotón y la gravedad, que se hipotetiza que está mediada por el gravitón . [ 33 ] : 132 Sin embargo, el concepto de fuerza es de interés secundario en la física de partículas moderna avanzada. La energía constituye la base de los modelos físicos y la palabra acción ha pasado de implicar una fuerza a un significado técnico específico: una integral sobre la diferencia entre la energía potencial y la energía cinética . [ 33 ] : 173

Véase también

Referencias

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  •  Este artículo incorpora texto de una obra de contenido libre . Licencia CC-BY-SA. Texto tomado de « La acción de Newton a distancia: diferentes perspectivas» , Nicolae Sfetcu.