¿Cómo sabe una partícula que debe comportarse de tal o cual manera?
Como persona, puedo establecer que la masa es así y así, la carga es así y así, luego establecer la ecuación para resolver su ecuación de movimiento, pero ¿quién calcula esa ecuación de movimiento para una partícula en la vida real?
Yo, como persona, empleo 'trucos' inteligentes como el principio de superposición para evitar tener que calcular una situación súper complicada (calcular la fuerza eléctrica mediante una forma en la que un gran círculo está ahuecado en el centro), pero si tuviera que calcular esto en forma de fuerza bruta, esto me llevaría mucho tiempo calcularlo. Sin embargo, la naturaleza no parece enfrentarse a este tipo de problemas.
Dado un banco de peces, los que están en el borde sentirán la amenaza y darán una señal a los que están cerca de ellos y así sucesivamente, pero esta analogía no parece tener sentido para los objetos físicos generalmente considerados en problemas de física general. ¿Estoy haciendo el tipo de pregunta equivocado? Apreciaría la entrada en esto.
Creo que esta pregunta hace suposiciones ocultas e inarticuladas sobre la realidad. En física, hacemos observaciones y luego tratamos de encontrar modelos que coincidan con ellas. Los modelos, sin embargo, nos pertenecen solo a nosotros y existen en nuestras cabezas y libros de texto.
Realizamos los cálculos necesarios para hacer nuestras predicciones en nuestros modelos. No podemos decir si la naturaleza hace cálculos similares, y preguntar 'cómo' la naturaleza o las partículas realizan los cálculos me parece equivocado. Jaynes llamó a esto la falacia de la proyección de la mente ; estás proyectando cosas que existen en tu mente, cálculos y modelos, a la realidad.
Sin embargo, respondiendo a @knzhou, no recomendaría responder todas las preguntas sobre física con el hecho de que "la física es un montón de modelos". Es posible construir modelos, responder preguntas sobre ellos y hacer cálculos sin proyectar nuestros cálculos a la realidad.
La pregunta '¿cómo sabe el agua que hierve a 100 C?' sería mejor redactado '¿cómo explica nuestro modelo la observación de que el agua hierve?'. Podríamos responder eso con la respuesta de @knzhou: 'las burbujas de vapor finalmente tienen suficiente energía para expandirse contra la presión del agua'. Esta es de hecho una explicación valiosa.
Una forma de pensarlo es que una partícula "olfatea" su entorno inmediato y reacciona al gradiente: una tendencia como un potencial decreciente en una dirección.
Los organismos unicelulares hacen esto. Planta orientada hacia el sol. Una roca en una pendiente "siente" que su centro de masa está ligeramente alejado del punto de contacto con el suelo. Todo esto es hablando libremente, por supuesto.
En física, la ecuación diferencial captura la misma idea. Diminutos diferenciales dan órdenes de marcha a las partículas, las cargas y el espacio-tiempo.
Hay otra formulación matemática, con Lagrangianos y acciones, donde una partícula elige el camino que minimiza la acción, como si la partícula supiera qué camino tomar. O el teorema de Fermat donde la luz toma el camino del menor tiempo, como si el fotón fuera lo suficientemente inteligente como para comparar muchos caminos. Esto puede parecer que las partículas "saben cómo comportarse". Sin embargo, matemáticamente estos teoremas son equivalentes a ecuaciones diferenciales. Después de todo, puedes dividir un camino en muchos segmentos diminutos, y luego regresas a los diferenciales de las ecuaciones diferenciales.
Así que todo es un cálculo muy local que una partícula necesita realizar. Encontramos ideas similares en toda la ciencia. Por ejemplo, en inteligencia (artificial), existe la regla de Hebb: muchas neuronas están conectadas en una gran red, pero cuando la red "aprende", cada neurona hace pequeños ajustes en la fuerza de su conexión solo con los vecinos más cercanos. Pero como resultado, toda la red puede aprender a realizar un cálculo complejo.
Espero que esto lo haga sentir un poco más claro.
¿Cómo sabe comportarse una partícula?
Ya el título trata de metafísica, se atribuye una conciencia a la partícula por el verbo "saber".
La física se trata de modelar medidas de observación con fórmulas matemáticas que pueden predecir el comportamiento futuro. El "conocimiento" es colectivo y proviene de la acumulación de un número enorme de observaciones.
Hay modelos metafísicos que atribuyen conciencia a las partículas. Uno en particular que leí en mi era metafísica (y siempre tuve cuidado de separar la física de la metafísica) es el modelo de "unidades de conciencia" de Janer Roberts, quien estaba canalizando a Seth (no puedes ser más metafísico que esto :)).
En este modelo, todo lo que existe son unidades de conciencia que, como muchas cuerdas cósmicas dimensionales, existen desde -infinito hasta + infinito, construyendo la naturaleza tal como la observamos. En ese marco metafísico, la pregunta tiene una respuesta.
No hay respuesta dentro de las teorías y modelos de la Física.
En física, el comportamiento de un objeto (ya sea elemental o un sistema complejo) está siempre, por construcción de la teoría misma, completamente restringido . En otras palabras, creamos modelos de la Naturaleza (escribo con mayúscula para referirme a la realidad incluso más allá de lo que la física pueda decir sobre ella) negando explícitamente cualquier posibilidad de elección o decisión a sus constituyentes. Esto es lo que nos permite predecir lo que le sucederá a algún sistema bajo ciertas condiciones, y esto es lo que hace que la física funcione. Es todo mecánico.
Entonces, preguntar '¿cómo sabe una partícula cómo comportarse?' confiar en una especie de error de categoría. Precisamente se ha creado un concepto físico como el de 'partícula' para que no se produzcan este tipo de cuestiones. La pregunta similar inicial era algo así como '¿cómo sucede esto que veo en la naturaleza?', y la respuesta en física es hacer una representación mecánica, determinista y completamente especificada, un modelo, para tener una respuesta de la forma : 'porque el sistema está hecho de esa manera, esto que he visto tiene que pasar '.
¿Por qué funciona esto? Esta es la antigua cuestión filosófica de la naturaleza de las leyes físicas .
La pregunta realmente no tiene sentido en términos de física. La física es fundamentalmente empírica . Esto significa que no puedes decir más de lo que proviene de tus observaciones, lo cual tiene sus límites.
Vemos que las cosas se comportan de manera similar entre sí. Concluimos 1 , existen algunas reglas para su comportamiento 2 .
La física es básicamente una forma de predecir el futuro, donde juegan un papel fundamental esas reglas. Modelan la realidad, no afirman representar exactamente la realidad.
No sabemos cuál es la fuente de las reglas. Ni siquiera sabemos si hay algunas reglas que son fundamentales. No puedes saber si hay un ser divino que mueve todas las partículas a mano y te hace creer que hay algunas reglas.
El método que usa las reglas para predecir los resultados podría no ser realmente real, pero funciona lo suficientemente bien, incluso sin tal suposición.
Simplemente lo sabemos, funcionan estadísticamente y nos permiten predecir gran parte del futuro que nos interesa.
1 La conclusión es el paso final. Hay una suposición, una hipótesis, luego realizamos un montón de pruebas, experimentos, para ver si la regla propuesta que probamos predice el resultado. Si lo hace bien, establecemos la regla, que pasa a llamarse ley.
2 El punto clave es que podemos decir qué cosas son similares entre sí, y las mismas cosas se comportan igual en diferentes puntos en el tiempo (o más bien en el espacio-tiempo). Esto significa que las reglas establecidas en un lugar funcionarán en otro, si no fueran transitivas serían inútiles.
Si asumimos que todas nuestras mejores descripciones del universo son literalmente verdaderas (estamos seguros de que no lo son, porque aún no son perfectamente consistentes, pero tengan paciencia conmigo)...
La partícula no sabe nada. Los campos cuánticos son todo lo que hay en el universo, y todos se comportan e interactúan de acuerdo con un conjunto de reglas extremadamente simple. Estas reglas son todo lo que hay en el universo; todo lo demás son solo efectos de orden superior de esas reglas simples. Una partícula que puede observar se deriva de estas reglas simples, al igual que su instrumento de observación y usted mismo.
Y todo el camino al nivel de un ser humano, tienes procesos de pensamiento que asumen que las cosas se comportan de alguna manera porque "quieren", porque nuestros cerebros fueron formados por selección natural para empatizar con otros humanos , y los humanos hacen cosas porque quieren. a. Estás confundido porque para tu cerebro, un ser completamente sensible como Thor que lanza rayos te parece una explicación más simple que la teoría del campo cuántico, porque tu cerebro ya tiene circuitos para comprender a otros humanos y agrega "puede lanzar rayos cuando quiere". es una fácil extrapolación de eso.
El desarrollo de la teoría del campo cuántico (que probablemente todavía no sea la forma en que funciona realmente el universo ; hay algunos problemas que aún necesitan desarrollo) tomó mucho tiempo, en parte porque nuestras intuiciones solo dan una imagen muy mala de lo que realmente es el universo , y porque las partes móviles fundamentales son muy difíciles de observar con una resolución útil. La selección natural no nos preparó directamente para eso, porque una comprensión básica de la cinemática es tan buena para lanzar lanzas como QFT, pero mucho más barata.
En última instancia, nuestra comprensión del universo está determinada por nuestra percepción, que a su vez se desarrolló bajo las presiones de la selección natural. Hay una descripción decentemente consistente de nuestro universo en la que el tiempo no existe en absoluto ; es posible que ni siquiera haya nada parecido a la causalidad ("The End of Time" de Barbour está un poco anticuado, pero básicamente extrapola la relatividad general de una manera que elimina el tiempo y causalidad sin afectar nuestra percepciónde tiempo y causalidad). La razón por la que el tiempo nos parece obvio e inevitable es que nuestros cerebros registran cierto tipo de tiempo relativo: es un truco producido a través de la selección natural que (en última instancia) nos hace mejores en la reproducción. Pero funcionaría igual de bien en un universo donde existe una noción separada del tiempo, como en un universo donde el tiempo es solo una ilusión de una configuración momentánea de partículas que pueden o no estar en relación con otras partículas en diferentes configuraciones.
Nuestros modelos corresponden a muchas posibles realidades subyacentes. En algunos casos, literalmente no podemos notar la diferencia (todavía). Un argumento típico es que nuestro universo bien podría ser solo una simulación que se ejecuta en una computadora de algún estudiante en el universo real ; la única diferencia real está en el nivel de conocer las reglas reales del sistema, pero nunca podemos estar 100% seguros de que las reglas que tenemos son las reglas reales. Todo lo que tenemos es una heurística que parece haber funcionado muy bien para la ciencia: no existen cosas fundamentalmente complejas (por ejemplo, una propiedad fundamental de un electrón no puede ser algo tan complicado como el pensamiento humano; cosas tan complejas necesitan "partes móviles"). ", por así decirlo), y cuanto más simple es algo, más probable es que sea cierto.
El segundo en particular es muy mal utilizado tanto por el público en general como por muchos científicos: la gente se apresura a afirmar que la física newtoniana es más simple que la física relativista. Pero lo que importa aquí no es lo simple que suena (o es de calcular) para los seres humanos, eso es volver al antropomorfismo en el que comenzamos. La descripción del electromagnetismo de la teoría cuántica de campos es la más simple que hemos desarrollado hasta ahora, a pesar de que es bastante fácil modelar el flujo de electricidad en un circuito simple usando modelos más antiguos, mientras que en realidad no podemos hacer lo mismo con QFT. Pero el universo parece preferir ( ¿ verdad ? :P) una gran cantidad de cálculos extremadamente simples a una aproximación rápida.
El universo parece ser un conjunto de un par de reglas fundamentales. Todo lo que vemos a nuestro alrededor es lo que sucede cuando aplicas esas reglas. Esto incluye nuestras observaciones de partículas y su "comportamiento". Toda la confusión es solo por aplicar el pensamiento humano a cosas que simplemente no son humanas en absoluto.
No voy a explicar esto muy bien, pero tengan paciencia conmigo.
El Teorema de Noether dice que toda ley de conservación se puede expresar como una simetría. Es decir:
Y así. En otras palabras, estas leyes fundamentales de la física son una forma de expresar simetrías.
De manera manual, las leyes de conservación que gobiernan las partículas existen porque el universo físico es tan simple como es posible . No hay reglas especiales que conozcamos que digan que el universo se comporta de manera diferente en diferentes momentos o en diferentes lugares. Eso es realmente todo lo que expresan estas leyes de la física.
La mejor respuesta implicará campos. Entendemos los campos, pero sabemos de dónde vienen. Y recuerda que las matemáticas y la física son solo un modelo .
Entonces, cada partícula sumará todas las fuerzas que se le aplican (las fuerzas son vectores y las fuerzas en direcciones opuestas [parcialmente] se cancelan). Ahora tiene un vector de fuerza. Su masa es una constante. Entonces simplemente acelera en la dirección de la fuerza, en una cantidad proporcional al tamaño de la fuerza. Después del movimiento, las fuerzas pueden cambiar, así que lo hace todo de nuevo. Solo tiene que hacer este cálculo simple, pero una y otra vez (una vez cada vez que se plancha).
También puede hacerlo con este método "Justo a tiempo", sin embargo, llevará más tiempo. El truco es que, una partícula, puede hacer este simple cálculo, en una sola tabla (sin tiempo de sobra). No tiene manera de mirar hacia adelante.
Las cosas no siempre son partículas, a veces son ondas.
A diferencia de algunos de los otros que respondieron, diré que esta pregunta tiene una respuesta muy clara. Y trataré de ser breve y dulce:
TL; DR: es entropía .
Lo que finalmente determina el movimiento de una partícula es la fuerza neta que se le aplica. Las fuerzas de campo fundamentales (aquellas que suceden a distancia sin contacto físico) [que conocemos] son:
Y luego están las fuerzas de contacto:
Para profundizar en su pregunta específica, no se está realizando ningún cálculo; imagina 4 personas empujándote desde diferentes lados. No tienes que calcular en qué dirección caerás, simplemente caes en la dirección donde la fuerza de resistencia es menor.
PM 2 Anillo
david z