¿Qué significa cuando la gente dice "La física se descompone"?

"La física se descompone" es una mala manera de decir lo que la gente intenta decir. Es el tipo de cosa que suena genial al principio, pero luego empieza a engañar a la gente.

Lo que los científicos quieren decir es que "nuestra mejor teoría produce resultados contradictorios o sin sentido en esta situación, por lo que sabemos que la teoría no hace buenas predicciones allí".

No significan que nunca puede haber una teoría que funcione, o que de alguna manera no hay leyes de la física en absoluto en la situación . Simplemente significa que no sabemos cuál es la ley.

Todo físico espera que existan leyes de la física que predigan lo que sucede en el centro de un agujero negro. Probablemente suceda algo perfectamente sensato, aunque probablemente sea algo extraño y diferente a todo lo que conocemos.

Permítanme dar un ejemplo de un caso muy, muy leve de 'la teoría se rompe'.

La ley de Boyle se expresa de la siguiente manera:

Expresar que para una cantidad dada de gas la presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí.

A bajas presiones se cumple la ley de Boyle.

La razón por la que es válida es que a baja presión las moléculas de gas ocupan solo un pequeño porcentaje del espacio total.

Si sigues aumentando la presión, eventualmente llegarás al punto en el que las moléculas se tocan todo el tiempo, y después de ese punto, incluso un gran aumento en la presión conduce solo a una pequeña reducción del volumen.

Una forma dramática de decir lo mismo es afirmar que a alta presión 'la ley de Boyle se rompe'. Por supuesto, en el caso de la ley de Boyle tenemos una teoría más profunda a la que podemos movernos.

Hay otra consideración, que es independiente de los observables.
Como se indicó, la ley de Boyle sugiere que a medida que aumenta la presión, el volumen puede disminuir a un valor arbitrariamente pequeño. En sí misma, la ley de Boyle no incluye ninguna restricción. Eso es sospechoso. Una teoría con una fórmula que permite infinitos, eso es una indicación de que la teoría es solo una aproximación de una teoría más profunda.

Otra comparación:
la ley de la fuerza electrostática de Coulomb da que la magnitud de la fuerza es inversamente proporcional a la distancia.
Digamos que tienes una teoría que describe las partículas como entidades que son verdaderas partículas puntuales. Entonces, dos partículas cargadas pueden aproximarse infinitamente cerca, lo que implicaría una fuerza electrostática infinitamente grande. eso es sospechoso

Tengo entendido que el caso del agujero negro es, en cierto sentido, como la ley de Boyle; no rechaza los infinitos de tal manera que hay una sugerencia de que se puede encontrar una física descriptible, pero está fuera del alcance de la teoría.

Una forma dramática de decir eso es que en la singularidad (como lo implican las matemáticas de GR) la teoría se desmorona.

"La física se descompone" suena bien, pero es confuso. Una mejor redacción sería "la física conocida se descompone". La física intenta modelar la realidad usando las matemáticas. En este sentido, la física no tiene "leyes". En las famosas palabras del Capitán Barbossa, "Son más como pautas". Sin embargo, tenemos muchas de estas pautas que son tan asombrosamente confiables en la escala en la que los humanos viven y respiran que encontramos que la palabra "pautas" es demasiado suave. Si está construyendo un rascacielos, es más probable que haga uno que se mantenga firme si piensa en la gravedad como una "ley" en lugar de una "guía". ¡Los arquitectos que llaman a la gravedad una "pauta" tienden a no tener la oportunidad de diseñar rascacielos multimillonarios usando el dinero de otras personas!

Como tal, no deberíamos sorprendernos cuando las pautas fallan en circunstancias extraordinarias.

Personalmente, definiría dos versiones de este concepto de "descomposición física". Uno de ellos es cuando estas pautas se rompen de formas conocidas, cambiando a nuevos regímenes. El vuelo supersónico es un gran ejemplo. Puede aprender muchas pautas sobre cómo fluyen los fluidos (como el aire), pero esas pautas se rompen a la velocidad del sonido en ese fluido. Luego tenemos pautas de flujo supersónico para ayudarnos desde allí. En este caso, este quiebre fue algo observado, típicamente al borde de una transición de fase. Descubrimos que el flujo supersónico seguía pautas diferentes a las del flujo sónico porque volamos algo más rápido que la velocidad del sonido y se comportó de manera diferente.

El otro significado más completo de "la física se descompone" ocurre en cosas como los agujeros negros. Estos son casos en los que nunca hemos observado el desglose, pero nuestras pautas nos llevan en direcciones contrarias a la intuición. A lo mejor de todo nuestro estudio, nunca hemos encontrado un experimento o una observación astronómica que sugiera que la teoría general de la relatividad de Einstein es algo menos que una ley. Como todo en física, es solo una guía, pero no hemos podido encontrar ninguna situación en la que falle.

Sin embargo, hay una trampa. Matemáticamente, las teorías de Einstein hacen predicciones extrañas sobre objetos densos extremadamente masivos. Las ecuaciones detrás de esto se salen de control y terminas con rarezas como una "singularidad", con volumen 0 y masa finita. Esto significa densidad infinita, y generalmente no creemos que ese tipo de infinito ocurra en el universo. Así que decimos "la física se descompone" aquí porque honestamente creemos que si alguna vez llegamos a observar esta parte de un agujero negro, veremos una de esas transiciones de fase donde la física simplemente deja de hacer la relatividad general y comienza a hacer otra cosa. . Creemos esto porque no nos sentimos cómodos con la posibilidad de que tales matemáticas que involucran infinitos sean "correctas".

Otro lugar donde "la física se rompe" es en la escala de Planck. El tiempo de Planck y la longitud de Planck son unidades muy pequeñas de tiempo y espacio. están a la orden de$10^{-43} \text s$y$10^{-35} \text m$. Son importantes para otra pauta que ha demostrado ser tan efectiva que la llamamos ley: la Mecánica Cuántica. Todavía tenemos que ver algo a pequeña escala que sugiera que la Mecánica Cuántica es algo menos que una ley, al igual que no hemos visto nada a gran escala que sugiera que la Relatividad General es algo menos que una ley. Sin embargo, cuando llegamos a estas escalas absurdamente pequeñas, las matemáticas de la mecánica cuántica (en particular, la teoría cuántica de campos) comienzan a fallar y no brindan respuestas predictivas sobre lo que sucede en esa escala porque algunas de las herramientas simplemente dejan de funcionar. En un sentido muy manual, es como cortar cosas con un cuchillo, cosas cada vez más pequeñas, hasta que un día te das cuenta de que estás tratando de cortar algo más delgado que el filo de tu cuchillo.

Por supuesto, no tenemos motivos para creer que el universo "termina" a esta escala. Es justo el punto donde todas las pautas que tienen tanto éxito que se han ganado el apodo de "ley" se desmoronan. Y en los casos extremos, como los problemas a escala de Planck o en los agujeros negros, son las matemáticas de la teoría misma las que sugieren que la teoría se desmorona.

Y así, pasamos innumerables horas ideando nuevos experimentos con el objetivo de sondear estas regiones inciertas, con la esperanza de algún día escribir nueva física que no se "descomponga" en estos niveles.

En términos más generales, a menudo se dice que las leyes de la física "se rompen" en condiciones en las que sus suposiciones subyacentes ya no se cumplen. Por ejemplo, la física newtoniana funciona muy bien la mayor parte del tiempo, pero a una velocidad relativista se vuelve cada vez más imprecisa. A modo de comparación, está bien asumir que la Tierra es plana si está construyendo una casa, pero no si está construyendo un puente colgante largo (mucho menos lanzando un satélite). En el contexto de un agujero negro, no tenemos experiencia, por ejemplo, de cómo cambia la química si los átomos se comprimen incluso en un pequeño porcentaje.

Por lo que sabemos, un agujero negro podría ser simplemente una esfera muy densa...

Una vez que alcanzas o pasas el horizonte de eventos, la fuerza requerida para evitar que caigas hacia la singularidad en el centro del agujero negro se vuelve infinita. El camino futuro de cualquier objeto dentro del horizonte de eventos alcanza la singularidad dentro de un tiempo finito. Entonces, podemos estar seguros de que, sea lo que sea lo que hay dentro del horizonte de eventos de un agujero negro, no es una esfera muy densa, ya que ninguna fuerza podría ser lo suficientemente fuerte como para sostener tal esfera.

Está preguntando sobre la singularidad de un agujero negro y a qué nos referimos cuando ve frases como "la física se descompone" o "hay un problema con la renormalización".

La relatividad general también funciona perfectamente como una teoría cuántica de campos efectivos de baja energía. el problema real no es tanto la no renormalizabilidad como el comportamiento de alta energía inconsistente con la teoría cuántica de campo local. Al hacer experimentos de dispersión de energía cada vez más alta, aprendes sobre física en escalas de longitud cada vez más cortas. Si pudieras hacer chocar dos partículas con una energía de centro de masa mucho más grande que la escala de Planck, entonces, cuando chocan, sus paquetes de ondas contendrían más que la energía de Planck localizada en una región del tamaño de la longitud de Planck. Esto crea un agujero negro. Si los dispersa a una energía aún mayor, crearía un agujero negro aún más grande, porque el radio de Schwarzschild crece con la masa. Entonces, cuanto más te esfuerces por estudiar distancias más cortas, peor estarás:

¿Una lista de inconvenientes entre la mecánica cuántica y la relatividad (general)?

La respuesta a su pregunta es que hay un problema sutil con la gravedad a altas energías. Contrariamente a la creencia popular, no queremos decir que haya un problema entre QFT y GR. De hecho, a bajos niveles de energía, GR y QFT funcionan perfectamente bien juntos.

Verá, en QFT, si quiere hacer experimentos para descubrir objetos a distancias muy cortas, usa (partículas dispersas en) niveles de energía más altos (de alguna manera, puede decir que esto es gracias al HUP).

Ahora aquí viene lo que realmente frena por gravedad. Lo que frena es esta correspondencia entre distancias cortas y altos niveles de energía para la gravedad. Simplemente no puede usar este método (ni en las matemáticas) para descubrir cómo funciona la gravedad en niveles de energía altos y escalas de longitud bajas.

La respuesta a su pregunta es que tal vez la gravedad no es un fenómeno cuántico como lo es, por ejemplo, el electromagnetismo (QED), o simplemente no podemos entender cómo interpretarlo.

Un ejemplo muy simple del desglose de la física se puede explicar a través de la ley de la gravedad universal de Newton :

$$F = G\frac{ m_1 m_2 }{r^2}$$

Aquí$r$es la distancia entre los centros de las masas$m_1$y$m_2$, y$G$la constante gravitatoria.

Los problemas:

-Si tiene dos objetos masivos que se pueden acercar infinitamente, el valor de la fuerza se dispararía hasta el infinito debido a$r \rightarrow 0$haciéndolos inseparables. En la teoría cuántica de campos, los electrones tienen masas pero básicamente no tienen radio. Por lo tanto, la ecuación no tendría sentido en este caso: la física se 'rompería'.

-Esta ecuación asume un efecto instantáneo. Lo que significa que si se forma una partícula en el otro lado del universo, instantáneamente aplicaría una pequeña fuerza a todas las demás partículas en todo el universo. Pero sabemos que esto no puede ser cierto y, como máximo, se puede aplicar a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la ecuación no tendría sentido en este caso: la física se 'rompería'.

-Claramente no explica cómo cambia la trayectoria de las partículas sin masa, como el fotón, al pasar por objetos masivos, como los agujeros negros. Dado que el término m = 0 haría que F = 0. Para objetos masivos, la aceleración proporcionada por F sería calculable. Si introdujéramos un límite experimental a la masa del fotón, lo que significa que los fotones deben pesar como máximo x debido a las medidas experimentales, la relatividad general seguiría siendo el doble de precisa. Por lo tanto, la ecuación no tendría sentido en este caso: la física se 'rompería'.

"La física se descompone" es una frase pegadiza. Tiene una perspectiva histórica. Algunos identifican la frase con el fenómeno de la singularidad en la física. Y de ahí es de donde proviene. Es un fenómeno en la física estadística que no se designa mucho a una sola partícula sino a los kleinkanonics y großkanonics del físico estático alemán que lo introdujo. Fue entonces adoptado y aplicado a las teorías del conjunto negro. Y se ubicaba bien en las aproximaciones teóricas de la información a la singularidad durante el acercamiento de la superficie horizontal del agujero negro.

Perspectiva bilingüe Break down no es, por lo tanto, una perspectiva de proceso sino una perspectiva bilingüe. Podemos hacer ciertas preguntas sobre qué se acerca a la singularidad, pero no podemos afirmar nada sobre la última fase y la transformación de transición más allá de la superficie del horizonte de eventos. La discusión se ha transformado hacia puntos de vista de si la información se conserva o no. ¿Se conserva la información para los jets emisores? ¿Qué sucede en el origen de los chorros emitidos? Etcétera.

Desglose de la metodología El desglose se dirige originalmente a la transición de fase que no era compatible con las metodologías de la termodinámica ni clásica, semiclásica o mecánica cuántica. Y que hoy en día no son solucionables con metodologías de teoría de cuerdas. Más que esto, la física se apega a los métodos antiguos. Los problemas de transición de fase ya están presentes en el agua, el metano y el dióxido de carbono y en muchos de los productos químicos que contaminan el medio ambiente moderno.

Todavía es un estado de descomposición de la metodología que el modelo estándar no está completo. Que no sabemos todo sobre las partículas elementales por ejemplo el neutrino. El neutrino está al lado del fotón que parece estar libre de descomposición hasta que observamos el problema de enfoque, la pregunta de alta intensidad y los fenómenos de tiempo ultracorto. Pero la luz es el portador muy cerrado de toda la información que podemos obtener de nuestro entorno. El electrón es incluso bastante complicado.

El desglose de la física como un fenómeno clásico Algunos expertos afirmaron que tenemos que empezar a temperatura cero absoluta para obtener ideas sobre cómo manejar el desglose de la física. Entonces, el ejemplo estándar más moderno es supra conductividad y super conductividad. La física ya se descompone en el problema de Hill de las tres partículas aunque sean clásicas. Sólo en determinadas situaciones se puede calcular el problema desde una perspectiva de física predictiva.

Ten paciencia, añadiré más sabiduría más adelante.

Se sabe que casi todas las teorías de la física son aproximaciones y que ninguna es precisa. Es posible que incluso las teorías que se consideran precisas sean, de hecho, aproximaciones, pero más precisas que cualquier equipo que pueda usarse para probarlas.

Cuando se dice que una teoría "se derrumba" bajo ciertas condiciones, lo que eso significa es que sus aproximaciones al comportamiento esperado difieren lo suficiente del comportamiento real bajo esas condiciones como para volverla inútil para hacer predicciones. Por ejemplo, si se sabe que cierta masa de H2O llena cierto volumen a una presión de una atmósfera cuando la temperatura es de 1400 K, la ley de Charles estimaría que reducir la temperatura a 700 K reduciría el volumen a la mitad, y esa estimación sería ser bastante preciso. También estimaría que reducir la temperatura a 350 K reduciría el volumen a la mitad nuevamente, pero esa estimación sería incorrecta en órdenes de magnitud (el volumen se reduciría mucho más cuando la temperatura cayera por debajo de 373.15 K y el H2O se condensara).

Las observaciones astronómicas permiten a los científicos formular aproximaciones sobre cómo se comportan algunas cosas en condiciones que no se pueden crear en un laboratorio, pero es muy difícil hacer observaciones precisas sobre cosas muy cercanas al horizonte de eventos de un agujero negro, y bajo las teorías actuales es imposible hacer observaciones sobre cualquier cosa dentro de uno. Por lo tanto, no solo no hay teorías que puedan demostrar que aproximan con precisión el comportamiento de las cosas dentro de los agujeros negros, sino que ni siquiera existe un método conocido para recopilar los datos que serían necesarios para formular tales aproximaciones ni probar su precisión.

"La física se descompone" es otra forma de decir que los físicos no tienen idea de cómo lidiar con los infinitos que surgen en las soluciones de las ecuaciones de campo de Einstein. Un matemático nunca diría 'las matemáticas se rompen' debido a la divergencia de funciones$f(x)=1/x$, por el argumento$x=0$. Albert Einstein distinguió entre dos tipos de teorías físicas: una teoría constructiva y una teoría de principios. El primero modela un rango limitado de un fenómeno físico, como la teoría de la gravitación de Newton, y el segundo, como la Relatividad General, es generalmente válido, debido al principio subyacente [1]. Por lo tanto, la aceptación general de las singularidades como una ruptura de la teoría de Einstein significa en realidad su degradación a algún tipo de "teoría de la gravitación de Newton mejorada", es decir, a una teoría constructiva. Supongo que Einstein no estaría de acuerdo con este punto de vista. El propio Sir Roger Penrose dijo sobre su teorema de singularidad: "Lo que realmente mostró es que el espacio-tiempo no puede continuar, debe llegar a un final en algún lugar, pero no dice cuál es la naturaleza de ese final"., simplemente dice que el espacio-tiempo no puede continuar indefinidamente " [2]. Por lo tanto, una interpretación adecuada de las divergencias que surgen en la Relatividad General es un campo de investigación interesante y prometedor, especialmente para los relativistas jóvenes - los "viejos" son difíciles para convertir".

[1] https://philosophy.unc.edu/wp-content/uploads/sites/122/2013/10/Did-Einstein-Really-Believe-that-Principle-Theories-are-Explanatorily-Powerless.pdf

[2] https://www.emis.de/newsletter/newsletter38.pdf

Significa que sus leyes y reglas para el caso particular no pueden decir lo que están observando.

Un ejemplo de ruptura de la física podrían ser las condiciones dentro del horizonte de eventos de un agujero negro. Si entras en él, no hay escapatoria, porque en cualquier dirección que mires, te lleva directamente al centro. Entonces, en cierto sentido, 3 dimensiones se reducen a 1; la línea recta que conduce a la singularidad. También el centro de un agujero negro está en constante colapso; en esencia, esto significa que la zona cero en un agujero negro tiende a ser infinitamente pequeña e infinitamente densa al mismo tiempo, pero tal vez en realidad no sea infinitamente pequeña o densa. También se podría decir que el centro de un agujero negro está en constante cambio.