¿Cómo y de qué manera funcionan y existen los campos de fuerza?

Un cargo$q$en un punto$\vec r_0$genera un campo eléctrico,

Como puede ver, este campo tal como está escrito existe en todos los puntos. Ahora, si tenemos varios cargos$q_i$colocados en posiciones$\vec r_i$, entonces en un punto$\vec r$, el campo neto o total experimentado es,

Una carga de prueba$q_{\mathrm{test}}$experimentará una fuerza$q_{\mathrm{test}}\vec E_{\mathrm{net}}(\vec r)$en el punto$\vec r$. mientras el campo$\vec E_{\mathrm{net}}$puede verse muy diferente de un campo simple que apunta radialmente hacia afuera, el campo debido a cada una de las cargas individuales sigue siendo el mismo; cada uno contribuye con el campo estándar de una carga puntual.

En cuanto a establecer la existencia de un campo, las percibimos precisamente debido a las interacciones con ellas, como las cargas o la masa, o en el caso de la teoría cuántica de campos, las partículas se ven como excitaciones de campos y, por lo tanto, su existencia respalda la existencia de el campo.

¡Buena pregunta! Responderé a tu pregunta en el contexto de la electrodinámica clásica. Tal vez alguien más pueda dilucidar el lado QFT del problema.

Los campos existen incluso si no hay carga de prueba.

Esto hace que la primera parte de su segunda pregunta sea irrelevante porque el cargo no necesita saber nada instantáneamente para crear un campo en el punto donde se coloca el cargo de prueba porque el campo ya habría estado allí.

La segunda parte de su segunda pregunta es cómo sabemos si el campo estaba allí antes de colocar la carga de prueba allí. Bueno, hay dos maneras de ver el problema.

El primero es analizar el tema con la plena aceptación de la maquinaria de la Física que hasta ahora ha sido desarrollada como hechos experimentales -después de todo, ha sido verificada experimentalmente más allá de toda duda. Esto quiere decir que las ecuaciones de Maxwell nos dicen claramente que el campo existe en un punto incluso si la carga de prueba no existe y nunca se ha informado de ninguna violación de las ecuaciones de Maxwell. Entonces, no tenemos más remedio que aceptar la ontología que tienen las ecuaciones de Maxwell, es decir, hay campos en un punto incluso si las cargas de prueba están ausentes allí y estos campos reaccionan sobre la carga de prueba instantáneamente cuando se coloca la carga de prueba. allá.

La otra forma es ser más teórico y preguntar por qué formulamos una teoría de tal manera que tiene campos que existen incluso cuando la partícula de prueba no está allí. Podría haber sido el caso de que Maxwell simplemente obtuvo sus ecuaciones como una conjetura y resultaron funcionar. En tal caso también, dado que funcionan, es mejor que aceptemos lo que dicen. Pero dado que sabemos que las ecuaciones de Maxwell se derivaron de una lluvia de ideas teórica de un curso largo, también es válido preguntar cuáles fueron las motivaciones teóricas detrás de formular las ecuaciones en términos de campos que existen incluso si las cargas de prueba no existen. Y ese tipo de comprensión es crucial (la mayoría de las veces) para la investigación en el área relevante. Entonces,

1. Localidad : La Relatividad Especial nos enseña que ninguna información puede viajar más rápido que la luz. Por lo tanto, es mejor que nuestra teoría no nos obligue a enviar la información de una carga de prueba que se coloca en algún lugar instantáneamente a la fuente de carga. Pero la carga de prueba siente una fuerza instantáneamente cuando se coloca alrededor de una fuente de carga. Esto significa que alguna influencia muy física de la fuente de carga tenía que estar presente donde se colocó la carga de prueba incluso antes de que se colocara allí la carga de prueba.

2. Conservación de la energía y la cantidad de movimiento : Las leyes de interacción de cargas derivadas experimentalmente dictan que la energía y la cantidad de movimiento deben ser transportadas por los campos si es necesario conservar la energía y la cantidad de movimiento. Esto atribuye una realidad física perfecta a los campos. Y si los campos tienen impulso y energía entonces mejor que no aparezcan o desaparezcan dependiendo de si ponemos una carga de prueba en alguna parte o no.

3. Ondas electromagnéticas La existencia de ondas electromagnéticas, las oscilaciones de campos electromagnéticos puros en un vacío perfecto (es decir, en ausencia de cargas de prueba) hace inevitable atribuir una realidad física independiente de la carga de prueba a los campos. La existencia de ondas electromagnéticas es, por supuesto, un simple hecho experimental.

Junto con estas principales motivaciones teóricas, también es una de las principales razones por las que tenemos una descripción teórica de campo de la electrodinámica clásica que todos los intentos basados ​​en el enfoque de acción a distancia han fallado terriblemente. Estos fracasos son solo consecuencias de los fundamentos teóricos fundamentales mencionados anteriormente.

En primer lugar, debe tener claro en su mente el significado de "Física" como disciplina. La física es el estudio de la naturaleza con herramientas matemáticas, creando modelos matemáticos que pueden ajustarse a medidas/datos y pueden predecir con éxito qué nuevas medidas/datos mostrarán.

Las medidas son números reales, registrados a partir del comportamiento de la materia (partículas, radiación, cuerpos sólidos....) que se postulan en la física, la materia existe y el cuestionamiento de su existencia se adentra en la metafísica y la filosofía. Los postulados son lo que son los axiomas en una teoría matemática rigurosa. Las recogen el subconjunto de funciones matemáticas útiles para el estudio de la naturaleza.

Con esto como trasfondo, se ve inmediatamente que la Fuerza es uno de los postulados de la mecánica newtoniana . La descripción matemática de los campos de fuerza , como el ejemplo en la respuesta de Jamal es una aplicación exitosa del modelo de Newton, permite predecir el comportamiento de las partículas cargadas con gran precisión (por encima del nivel donde la mecánica cuántica es necesaria). Entonces, el concepto de campos es un concepto matemático que, utilizado en los cálculos, da números reales para compararlos con el experimento/medida.

No se debe confundir las matemáticas, exigiéndoles la realidad, con las medidas. El modelo matemático es tan real como las medidas que lo sustentan. Preguntar por la realidad de los campos de fuerza es metafísica, en el camino ideal platónico , y no física.

Teniendo esto en cuenta,

¿Los campos existen constantemente con sus fuentes, por ejemplo, una carga positiva seguirá ejerciendo un campo eléctrico positivo independientemente de si colocamos una pequeña carga positiva o negativa cerca/dentro del campo?

En los modelos matemáticos que usamos, los campos existen con sus fuentes y, como muestra el ejemplo de Jamal, los campos eléctricos se combinan si hay más de una fuente.

Pero depende del éxito de la predicción de interacciones de partículas cargadas utilizando este modelo. El campo es un icono matemático útil.

¿Qué pasa si el campo se genera instantáneamente cuando algo que puede interactuar con él se sumerge en él? ¿Cómo sabemos que el campo existe antes de que coloquemos un objeto en él?

En la imagen clásica de la electricidad y el magnetismo, se deriva de los postulados que el campo existe antes de que se pruebe, "instantáneamente".

Sin embargo, en el marco de la mecánica cuántica, que es el marco de modelado subyacente de la naturaleza (todas las teorías clásicas surgen de él), no hay una acción "instantánea" a distancia, porque el "campo de fuerza" es transportado por fotones que están limitados por la velocidad de la luz. Este último depende de la relatividad especial y sus postulados y de los postulados de la mecánica cuántica que modelan la naturaleza con campos cuánticos .

Solo hay que tener en cuenta que el modelo no es la realidad sino un ajuste matemático a los números medidos para el problema dado, se debe usar el modelo apropiado para los fenómenos observados o predichos apropiados.