¿Cuál es la diferencia esencial entre velocidad constante y aceleración?

La diferencia es que la aceleración es absoluta mientras que la velocidad es relativa. En otras palabras, las leyes locales de la física son exactamente las mismas para dos objetos que se mueven con una velocidad constante entre sí, por lo que no existe un experimento local que pueda determinar si uno se mueve y el otro está estacionario. Por otro lado, si dos objetos están acelerando entre sí, las leyes locales de la física que determinan su comportamiento son diferentes, por lo que es posible encontrar su aceleración absoluta. ¿Cómo se define el estado de aceleración absoluta cero? Véase el principio de Mach .

Entonces, si una partícula cargada emite radiación EM, entonces está acelerando; si no lo hace, entonces tiene aceleración cero.

Obviamente, un electrón no "sabe" si está acelerando o no: su comportamiento está determinado por las leyes de la física. De hecho, se podría decir que las leyes de la física son las entidades globales fundamentales aquí y un electrón es solo una manifestación local de esas leyes que tiene ciertas propiedades locales como carga, masa y espín.

La radiación electromagnética debida a una partícula cargada es un efecto clásico, lo que significa que no necesitamos la relatividad especial o la relatividad general para derivarla. Esto no quiere decir que no proporcionen más información, pero diría que enturbian el agua más de lo necesario.

Una de las ideas fundamentales es que la propagación de la fuerza electromagnética ocurre a una velocidad finita . En términos del campo (que solo es diferente en un sentido filosófico para la electrodinámica clásica), podemos decir que los cambios en el campo debido a las fuentes (cargas) se propagan a una velocidad finita,$c$, la velocidad de la luz.

Algunas otras ideas clave: la carga eléctrica es la fuente fundamental y el observador de la fuerza electromagnética (campo). Todos los cambios en el campo EM se deben a la presencia y movimiento de carga, y las únicas entidades que interactúan con el campo son, por definición, las cargas eléctricas. Por lo tanto, la presencia de ondas electromagnéticas es una afirmación de la relación entre una carga eléctrica y todas las demás cargas eléctricas del universo.

Como se describió en una respuesta anterior, la velocidad es relativa, por lo que no hay forma de saber, entre dos cargas que se mueven una al lado de la otra a una velocidad fija, quién se mueve y quién está estacionario. Compare esto con la aceleración, donde esos cambios continuos se realizan en un sentido más absoluto. En cierto sentido, la velocidad no es diferente a la ausencia de movimiento, dependiendo de tu perspectiva; pero no se puede decir lo mismo de la aceleración. Esto está incrustado, por ejemplo, en las leyes de movimiento de Newton ($\mathbf{F}=m\mathbf{a}$). La velocidad y la aceleración no son conceptos análogos.

Finalmente, una onda en el campo electromagnético es una descripción de un impulso que se propaga a través del campo; una carga que se mueve a velocidad constante no crea un impulso, sino una carga que acelera o desacelera en relación con otra voluntad. Vea la animación de Bremsstrahlung aquí .

Eso debería ponerlo en camino hacia la comprensión de cómo una partícula cargada "sabe" que está acelerando. no lo hace El hecho es que si una partícula cargada se acelera en relación con un observador fijo, el campo electromagnético tendrá "ondas" alejándose de la partícula. La partícula no tiene nada que decir. No es necesario considerar nada de mecánica cuántica ni nada de relatividad general, solo buena electrodinámica clásica.

Creo que su argumento de "sin memoria" asume que el tiempo es fundamentalmente diferente del espacio: no le sorprendería que haya un intercambio de información entre ubicaciones "inmediatamente adyacentes" en el espacio. De hecho, esa es la única interacción. Pero el espacio y el tiempo están vinculados, y al igual que con el espacio, solo "interactuamos", es decir, directamente, con ubicaciones inmediatamente adyacentes en el tiempo. De hecho, la relatividad general muestra que podemos sustituir uno por el otro si cambiamos nuestro marco de referencia. La formulación general es "solo interactuamos con nuestras ubicaciones inmediatamente adyacentes en el espacio-tiempo". Que veamos, por ejemplo, luz de muchos años en el pasado no es una contradicción: la vemos solo cuando, después de un largo viaje,

Probablemente se podría decir que la "memoria" necesaria para la continuidad está contenida en el mismo espacio-tiempo: consiste en las propiedades de todos y cada uno de los pequeños "vóxeles" del espacio-tiempo en el universo.

Está claro que una partícula elemental como un electrón "conoce" su momento como una propiedad intrínseca, ya que esa es la frecuencia de la función de onda (al menos, dado un marco de referencia).

Pero eso es solo mirar a la partícula como un solo punto en el tiempo. En QM, la función de onda es una función sobre el espacio y el tiempo . Es decir, representa toda la línea del mundo. Cuando la partícula se acelera, la frecuencia cambia, por lo que es un "chirrido" en lugar de un valor constante.

Entonces, se podría decir que la aceleración también está codificada en la función de onda.
Pero... es realmente la interacción con otros objetos lo que causa la aceleración. La función de onda de todo el sistema codificará el movimiento newtoniano de la partícula como el camino que no se cancela. La aceleración está "allí" en los resultados, pero no es un parámetro libre que se pueda configurar (como el momento o la posición), sino que es un efecto de las interacciones con otros objetos. Esa es una descripción de una propiedad emergente , de la misma manera que la presión y la temperatura de las leyes de los gases no son realmente propiedades de partículas individuales sino que surgen de la interacción de todas las partículas.

En lo que respecta al espacio-tiempo, la aceleración y la gravedad son cosas similares. Una partícula cargada que está acelerando básicamente está experimentando una fuerza. Las ondas Em no son más que la transmisión de una perturbación en el campo electromagnético de la carga.

Si considera la velocidad y la aceleración desde un punto de vista puramente cinemático, no existe una diferencia fundamental entre ellas. Una es la primera derivada temporal de la ubicación, la otra la segunda. Dos objetos acelerados que se mueven entre sí estarán en reposo relativamente entre sí tanto como dos objetos con la misma velocidad constante.

Clásicamente, la radiación EM es puramente un efecto dependiente del observador, que consiste en aquellos componentes del campo EM relacionados con la aceleración (en relación con el observador). La partícula en sí (asumiendo que es una partícula puntual) no puede 'saber' si está acelerando o no.

En la mecánica cuántica, todo esto se vuelve conceptualmente diferente, por supuesto.

Para ser perfectamente honesto, la física no sabe la respuesta a su pregunta. También me parece misterioso que la partícula tenga información sobre qué tan rápido se movió en el pasado. No existe una inconsistencia lógica estricta, por lo que tal vez solo tengamos que contentarnos con "eso es lo que hemos observado". Pero tal vez haya un mecanismo subyacente que aún no hemos entendido.

Esto me recuerda mucho a un problema que preocupaba a Newton sobre su teoría de la gravedad: ¿cómo "sabe" el planeta que orbita una estrella sobre la gravedad de la estrella, y especialmente los cambios en esa gravedad a medida que cambia la ubicación de la estrella? Más tarde, esto se entendió mejor a la luz de la relatividad general y, por supuesto, había más mecanismos subyacentes por entender.

Creo que diferentes subcampos de la física te darán diferentes formas de pensar sobre qué partes del sistema "saben" qué. Diferentes formalismos pueden dar diferentes respuestas sobre dónde se almacena esta información (¿en las partículas? ¿en los campos?).

Desde la perspectiva de la mecánica estadística, cada partícula lleva ("conoce") 6 piezas de información: las tres componentes de su posición y las tres componentes de su velocidad . De manera equivalente, puede decir los tres componentes de su posición y los tres componentes del impulso. Para estas seis piezas de información, hay una especie de memoria. Por otro lado, en esta imagen, la aceleración generalmente se puede calcular a partir de las posiciones de todas las partículas en el sistema (y tal vez también las velocidades si incluye el magnetismo:$\mathbf{F}_\mathrm{EM} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$). Entonces no necesitas memoria para la aceleración.

Si codifica una simulación de dinámica molecular (¿quizás una simulación de iones en un plasma?), generalmente tiene una matriz de posiciones 3D para cada partícula y una matriz de velocidades 3D para cada partícula. De manera equivalente, puede tener una matriz de posiciones 3D en el momento actual y otra matriz de posiciones 3D en el momento anterior. Debe mantener estas matrices de un paso de tiempo al siguiente, mientras que las fuerzas y las aceleraciones no necesitan mantenerse. Luego calcula el cambio en la velocidad de esta partícula a partir del gradiente de la energía potencial para las posiciones de esta partícula (la fuerza). La energía potencial se calcula en función de todas las posiciones de las partículas.

Esta es una imagen no relativista, porque la forma en que$V(\ldots)$está escrito supone que el movimiento de las otras partículas se comunica instantáneamente. Esto se vuelve más complicado si incluye efectos relativistas y radiación, porque entonces necesita incluir el estado de los campos o el estado del sistema en tiempos anteriores (tiempo retardado). La fórmula de Feynman-Heaviside parece necesitar conocer la posición, la velocidad y la aceleración en el tiempo retardado.

Desde una perspectiva cuántica, la información sobre la velocidad actual de una partícula está codificada en la función de onda.

Véase, por ejemplo, el siguiente paquete de ondas de una partícula unidimensional. La línea azul muestra la función de onda; la distancia a la línea negra muestra la amplitud y el ángulo muestra la fase. El número de vueltas que da es proporcional al momento: cuando la línea azul gira más veces alrededor de la línea negra, la partícula se mueve más rápido. Para responder a tu pregunta, si el universo quiere saber la velocidad de una partícula, solo puede mirar la función de onda. Si esta velocidad aumenta, la partícula se acelera.

fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_packet

Este es un concepto complicado. Aprendemos tantas veces que los objetos no tienen un sentido objetivo de su propia velocidad que comienza a parecer extraño que los objetos parezcan tener una noción objetiva (medible) de su propia aceleración. Su radiación EM de una partícula acelerada es un ejemplo, la emisión de radio de estrellas magnéticas giratorias es otro.

Creo que la respuesta más limpia es esta. De la segunda ley de Newton sabemos que una aceleración está relacionada con una fuerza externa. Entonces, la partícula "sabe que está acelerando" porque está sujeta a esta fuerza externa de alguna otra partícula (s).

Esto no es del todo satisfactorio cuando se trata de cuerpos giratorios. Dos balas de cañón que están atadas juntas en un universo vacío podrían estar girando alrededor de su centro, con una tensión relacionada en la cuerda, o podrían estar sin tensión. Estas dos situaciones son (en nuestras mejores teorías) físicamente distintas, pero es un poco confuso exactamente con qué se debe definir la rotación dado que el ejemplo supone que no hay nada más con lo que comparar.

Vea el libro de Tim Maudlin "Space and Time" para un relato muy interesante de las balas de cañón.

Creo que su pregunta va al corazón de lo que clasificamos como epistemológico u ontológico, y probablemente un misterio muy hermoso del universo.

Diría que la respuesta a su pregunta se reduce a información versus dinámica. De manera informal, tome la información como un valor en el espacio de fase (multidimensional), mientras que la dinámica correspondería a cómo estos valores cambian con el tiempo.

La velocidad y la posición son información, mientras que la aceleración es dinámica. Eso es así la mayor parte del tiempo en física, aunque están naturalmente relacionados por derivadas temporales (la velocidad es cómo varía la posición en el tiempo y la aceleración es cómo varía la velocidad en el tiempo). Por alguna razón, la naturaleza ha elegido derivadas temporales de segundo orden para describir la dinámica de los sistemas la mayor parte del tiempo. Tal vez porque con esto, cualquier aceleración dada en función del tiempo siempre producirá una trayectoria suave.

Entonces, el "conocimiento" que su partícula y el campo EM tienen sobre sí mismos es lo que aquí llamo información. En términos de la dinámica que los gobierna, todos son una gran cosa.