Acción a distancia
En física, acción a distancia es el concepto de que el movimiento de un objeto puede verse afectado por otro objeto sin estar físicamente en contacto (como en el contacto mecánico) con el otro objeto. Es decir, es la interacción no local de objetos que se encuentran 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 de 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 condujo a nuevos modelos de acción a distancia que ofrecen una alternativa a las teorías de campo. Según nuestra comprensión moderna, las cuatro interacciones fundamentales (gravedad, electromagnetismo, interacción fuerte y interacción débil) en toda la física no se describen mediante 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. Los otros 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. Históricamente, las explicaciones físicas de fenómenos particulares han oscilado entre estas tres categorías a lo largo del tiempo a medida que se desarrollaron nuevos modelos.
Las acciones a distancia y las acciones en un medio continuo se pueden distinguir fácilmente cuando la dinámica del medio es visible, como ondas en el agua o en un sólido elástico. En el caso de la electricidad o la gravedad, no se requiere ningún medio. En el siglo XIX, criterios como el efecto de las acciones sobre la materia interpuesta, la observación de un retraso temporal, el aparente almacenamiento de energía o incluso la posibilidad de un modelo mecánico plausible para la transmisión de acciones fueron aceptados como evidencia en contra de la acción a distancia.. Las teorías del éter eran propuestas alternativas para reemplazar la acción aparente a distancia en la gravedad y el electromagnetismo, en términos de acción continua dentro de un medio (invisible) llamado "éter".
El impacto directo de objetos macroscópicos parece distinguirse visualmente de la acción a distancia. Sin embargo, si los objetos están construidos a partir de átomos, y el volumen de esos átomos no está definido y los átomos interactúan mediante fuerzas eléctricas y magnéticas, la distinción es menos clara.
Roles
El concepto de acción a distancia actúa en múltiples roles en la física y puede coexistir con otros modelos según las necesidades de cada problema físico.
Una de sus funciones es la de resumen de los fenómenos físicos, independientemente de cualquier comprensión de la causa de dicha acción. Por ejemplo, las tablas astronómicas de posiciones planetarias se pueden resumir de forma compacta utilizando la ley de gravitación universal de Newton, que supone que los planetas interactúan sin contacto ni medio intermedio. Como resumen de datos, no es necesario evaluar el concepto como un modelo físico plausible.
La acción a distancia también actúa como modelo que explica los fenómenos físicos incluso en presencia de otros modelos. De nuevo 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. Estos triunfos de la física precedieron en muchas décadas al modelo alternativo más preciso de la gravedad basado en la relatividad general.
Los libros de texto de introducción a la física analizan fuerzas centrales como la gravedad mediante modelos basados en la acción a distancia sin discutir la causa de tales fuerzas o problemas con ellas hasta que se discuten los temas de la relatividad y los campos. Por ejemplo, consulte Las Conferencias Feynman sobre Física sobre la gravedad.
Historia
Investigaciones tempranas 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 estaban organizadas en estos términos. Los objetos en movimiento fueron modelados por seres vivos. Hacia 1600, el método científico comenzó a arraigar. René Descartes comenzó de nuevo con una visión más fundamental, desarrollando ideas sobre la materia y la acción independientemente de la teología. Galileo Galilei escribió sobre mediciones experimentales de objetos que caen y ruedan. Las leyes del movimiento planetario de Johannes Kepler resumieron las observaciones astronómicas de Tycho Brahe. Muchos experimentos con materiales eléctricos y magnéticos conducen 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 nuevos análisis matemáticos para explicar los resultados empíricos de Kepler. Su explicación adoptó la forma de una ley de gravitación universal: dos cuerpos cualesquiera son atraídos por una fuerza proporcional a su masa e inversamente proporcional a su separación al cuadrado. Así, los movimientos de los planetas se predijeron asumiendo fuerzas distantes que actúan a gran distancia.
Esta expresión matemática de la fuerza no implicaba una causa. Newton consideraba que la acción a distancia era un modelo inadecuado de la gravedad. Newton, en sus palabras, consideraba que la acción a distancia era
tan grande una Absurdidad que creo que ningún hombre que tenga en asuntos filosóficos una facultad de pensamiento competente puede caer jamás en ella.
—Isaac Newton, Cartas a Bentley, 1692/3
Los científicos metafísicos de principios del siglo XVIII se opusieron firmemente a la acción a distancia inexplicable en la teoría de Newton. Gottfried Wilhelm Leibniz se quejó de que el mecanismo de la gravedad era "invisible, intangible y no mecánico". 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 cada vez más éxito, prediciendo la fecha del regreso del cometa Halley y contribuyendo al descubrimiento del planeta Neptuno en 1846. Estos éxitos y el enfoque cada vez más empírico Los avances de la ciencia hacia el siglo XIX llevaron a la aceptación de la teoría de la gravedad de Newton a pesar del disgusto por la acción a distancia.
Acción eléctrica a distancia
Los fenómenos eléctricos y magnéticos también comenzaron a explorarse sistemáticamente a principios del siglo XVII. En la primera teoría de William Gilbert sobre los "efluvios eléctricos", una especie de atmósfera eléctrica, descarta la acción a distancia basándose en que "la materia no puede realizar ninguna acción salvo por contacto". Sin embargo, experimentos posteriores, especialmente los de Stephen Gray, mostraron efectos eléctricos a distancia. Gray desarrolló un experimento impresionante llamado el "niño eléctrico" demostrando transferencia eléctrica sin contacto directo. Franz Aepinus fue el primero en demostrar, en 1759, que una teoría de la acción a distancia de la electricidad proporciona un reemplazo más simple de la teoría de los efluvios eléctricos. A pesar de este éxito, el propio Epino consideró que la naturaleza de las fuerzas era inexplicable: "no aprobaba la doctrina que supone la posibilidad de acción a distancia", sentando las bases para un cambio hacia teorías basadas en éter.
En 1785, Charles-Augustin de Coulomb demostró que dos cargas eléctricas en reposo experimentan una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, un resultado que ahora se llama ley de Coulomb. La sorprendente similitud con la gravedad fortaleció el argumento a favor de la acción a distancia, al menos como modelo matemático.
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 el espacio. Si bien este modelo matemático no es un medio mecánico, la imagen mental de dicho campo se parece a un medio.
Campos como alternativa
Fue Michael Faraday quien sugirió por primera vez que la acción a distancia, incluso en la forma de un campo potencial (matemático), era inadecuada como explicación de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Faraday, un experimentador empírico, citó tres razones a favor de que algún medio transmita fuerza eléctrica: 1) la inducción electrostática a través de un aislante depende de la naturaleza del aislante, 2) cortar un aislante cargado provoca que aparezcan cargas opuestas en cada mitad, y 3) las chispas de descarga eléctrica se curvan en un aislante. Por estas razones concluyó que las partículas de un aislante deben estar polarizadas, y cada partícula contribuye en acción continua. También experimentó con imanes, demostrando líneas de fuerza que se hacían visibles mediante limaduras de hierro. Sin embargo, en ambos casos su modelo de campo depende de partículas que interactúan mediante una acción a distancia: su modelo de campo mecánico no tiene una causa física más fundamental que el modelo de campo central de largo alcance.
Las observaciones de Faraday, así como otras, llevaron a James Clerk Maxwell a una formulación revolucionaria en 1865, un conjunto de ecuaciones que combinaban electricidad y magnetismo, tanto estático como dinámico, y que incluían la radiación electromagnética: la luz. Maxwell comenzó con modelos mecánicos elaborados pero finalmente produjo un tratamiento puramente matemático utilizando campos vectoriales dinámicos. La sensación de que estos campos deben hacerse vibrar para propagar la luz desencadenó la búsqueda de un medio de propagación; el medio se llamó éter luminífero o éter.
En 1873, Maxwell abordó explícitamente la acción a distancia. 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 muchas propiedades de estas líneas de fuerza implican que estas "líneas no deben considerarse meras abstracciones matemáticas". El propio Faraday vio estas líneas de fuerza como un modelo, una "ayuda valiosa" para el experimentalista, un medio para sugerir nuevos experimentos.
Al distinguir entre diferentes tipos de acción, Faraday sugiere tres criterios: 1) ¿los objetos materiales adicionales alteran la acción?, 2) ¿la acción lleva tiempo y 3) depende del extremo receptor? Para la electricidad, Faraday sabía que se cumplían los tres criterios de la acción eléctrica, pero se pensaba que la gravedad sólo cumplía el tercero. Después de la época 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 advenimiento de nuevas teorías de la gravedad, la explicación moderna le daría a la gravedad 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 condujo a numerosos esfuerzos en las últimas décadas del siglo XIX para representar campos eléctricos, magnéticos y gravitacionales, principalmente con modelos mecánicos. No surgió ningún modelo que explicara los fenómenos existentes. En particular, no hay 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. Lorentz investigó la interacción mutua de electrones solitarios en movimiento dentro de un éter estacionario. Volvió a derivar las ecuaciones de Maxwell de esta manera pero, de manera crítica, en el proceso las cambió para representar la onda en las coordenadas que mueven los electrones. Demostró que las ecuaciones de onda tenían la misma forma si se transformaban usando un factor de escala particular,
En 1899, Henri Poincaré cuestionó la existencia de éter, mostrando que el principio de relatividad prohíbe el movimiento absoluto asumido por los defensores del modelo de éter. Nombra la transformación utilizada por Lorentz la transformación de Lorentz, pero la interpreta como una transformación entre dos marcos inercias con relativa velocidad . Esta transformación hace que las ecuaciones electromagnéticas se vean igual en cada marco inercial móvil uniformemente. Entonces en 1905 Albert Einstein demostró que el principio de relatividad aplicado a la simulenatidad del tiempo y la velocidad constante de la luz predice precisamente la transformación de Lorentz. Esta teoría de la relatividad especial se convirtió rápidamente en el concepto moderno de tiempo espacial.
Así, el modelo de éter, inicialmente muy diferente de la acción a distancia, cambió lentamente a Parecía un simple espacio vacío.
En 1905, Poincaré propuso que las ondas gravitacionales, que emanan de un cuerpo y se propagan a la velocidad de la luz, fueran requeridas por las transformaciones de Lorentz y sugirió que, en analogía con una carga eléctrica acelerada que produce ondas electromagnéticas, las masas aceleradas en un sentido relativista La teoría de campo de la gravedad debería producir ondas gravitacionales. Sin embargo, hasta 1915 la gravedad se mantuvo aparte como una fuerza que todavía se describe por acción a distancia. En ese año Einstein demostró que una teoría de campo del espacio-tiempo, la relatividad general, coherente con la relatividad puede explicar la gravedad. Los nuevos efectos resultantes de esta teoría fueron dramáticos 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.
Acción moderna a distancia
En las primeras décadas del siglo XX, Karl Schwarzschild, Hugo Tetrode y Adriaan Fokker. desarrollaron de forma independiente 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. La teoría del electromagnetismo del absorbente de Wheeler-Feynman que evita el problema de la energía propia. Interpretan la fuerza de Abraham-Lorentz, la fuerza aparente que resiste la aceleración de los electrones, 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 sobre la naturaleza de la no localidad cuántica. La teoría tiene implicaciones para la cosmología; se ha extendido a la mecánica cuántica. Se ha aplicado un enfoque similar para desarrollar una teoría alternativa de la gravedad consistente con la relatividad general. John G. Cramer ha ampliado las ideas de Wheeler-Feynman para crear la interpretación transaccional de la mecánica cuántica.
"Acción espeluznante a distancia"
Einstein le escribió a Max Born sobre cuestiones de mecánica cuántica en 1947 y Usó una frase traducida como "acción espeluznante a distancia". La frase ha sido recogida y utilizada como descripción de la causa de pequeñas correlaciones no clásicas entre mediciones físicamente separadas de estados cuánticos entrelazados. Las correlaciones se predicen mediante la mecánica cuántica y se verifican mediante experimentos. En lugar de un postulado como el de la fuerza gravitacional de Newton, este uso de la “acción a distancia” se refiere a correlaciones observadas que no son fáciles de explicar mediante interpretaciones simples de la mecánica cuántica.
Fuerza en la teoría cuántica de campos
La teoría cuántica de campos no necesita acción a distancia. En el nivel más fundamental sólo se necesitan cuatro fuerzas y cada una 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 supone está mediada por el gravitón. Sin embargo, todo el concepto de fuerza es de importancia secundaria en la física de partículas moderna y avanzada. La energía forma 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 energía potencial y energía cinética.