La acción a distancia es el concepto de la física que establece que el movimiento de un objeto puede verse afectado por otro objeto sin que ambos estén en contacto físico ; es decir, es el concepto de interacción no local entre objetos que están 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 para 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 más precisión. El descubrimiento de los electrones y de la relatividad especial condujo a nuevos modelos de acción a distancia que ofrecían una alternativa a las teorías de campo. Según nuestra comprensión moderna, las cuatro interacciones fundamentales (gravedad, electromagnetismo , interacción fuerte e interacción débil ) en toda la física no se describen mediante la acción a distancia.
En el estudio de la mecánica , la acción a distancia es una de las tres acciones fundamentales sobre la materia que causan movimiento. Las otras 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 . [1] : 338 Históricamente, las explicaciones físicas para fenómenos particulares se han movido entre estas tres categorías con el tiempo a medida que se desarrollaban nuevos modelos.
La acción a distancia y las acciones en un medio continuo pueden distinguirse fácilmente cuando la dinámica del medio es visible, como las 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 interviniente, la observación de un retraso temporal, el aparente almacenamiento de energía o incluso la posibilidad de un modelo mecánico plausible para la transmisión de la acción se aceptaban como evidencia en contra de la acción a distancia. [2] : 198 Las teorías del éter eran propuestas alternativas para reemplazar la aparente acción a distancia en la gravedad y el electromagnetismo, en términos de acción continua dentro de un medio (invisible) llamado "éter". [1] : 338
El impacto directo de objetos macroscópicos parece visualmente distinguible de la acción a distancia. Sin embargo, si los objetos están formados por átomos y el volumen de esos átomos no está definido y los átomos interactúan mediante fuerzas eléctricas y magnéticas, la distinción es menos clara. [2]
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 servir de resumen de los fenómenos físicos, independientemente de cualquier comprensión de la causa de dicha acción. [1] 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 o un medio intermedio. Como resumen de datos, el concepto no necesita evaluarse como un modelo físico plausible.
La acción a distancia también actúa como un 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 . [3] : 210 Estos triunfos de la física precedieron al modelo alternativo más preciso para la gravedad basado en la relatividad general por muchas décadas.
Los libros de texto de introducción a la física tratan las fuerzas centrales , como la gravedad, mediante modelos basados en la acción a distancia, sin analizar la causa de dichas fuerzas ni los problemas que surgen de ellas hasta que se abordan los temas de la relatividad y los campos . Por ejemplo, véase The Feynman Lectures on Physics sobre la gravedad. [4]
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 se modelaban como seres vivos. [1] Alrededor de 1600, el método científico comenzó a arraigarse. René Descartes sostuvo una visión más fundamental, desarrollando ideas de materia y acción independientes 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 . [2] : 132 Muchos experimentos con materiales eléctricos y magnéticos llevaron a nuevas ideas sobre las fuerzas. Estos esfuerzos prepararon el terreno para el trabajo de Newton sobre las fuerzas y la gravedad.
En 1687 Isaac Newton publicó sus Principia , que combinaban sus leyes del movimiento con un nuevo análisis matemático capaz de reproducir los resultados empíricos de Kepler. [2] : 134 Su explicación estaba en forma de una ley de gravitación universal : dos cuerpos cualesquiera son atraídos por una fuerza proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. [5] : 28 De este modo, los movimientos de los planetas se predijeron suponiendo fuerzas que actuaban a grandes distancias.
Esta expresión matemática de la fuerza no implicaba una causa. Newton consideraba que la acción a distancia era un modelo inadecuado para la gravedad. [6] Newton, en sus palabras, consideraba que la acción a distancia era:
tan grande absurdo que creo que ningún hombre que tenga en cuestiones filosóficas una facultad competente de pensar puede jamás caer en él. [7]
— Isaac Newton, Cartas a Bentley, 1692/3
Los científicos metafísicos de principios del siglo XVIII se opusieron firmemente a la inexplicable acción a distancia de la teoría de Newton. Gottfried Wilhelm Leibniz se quejó de que el mecanismo de la gravedad era "invisible, intangible y no mecánico". [1] : 339 Además, las comparaciones iniciales con los datos astronómicos no fueron favorables. A medida que las técnicas matemáticas mejoraron a lo largo del siglo XVIII, la teoría mostró un éxito creciente, prediciendo la fecha del regreso del cometa Halley [8] y ayudando al descubrimiento del planeta Neptuno en 1846. [9] Estos éxitos y el enfoque cada vez más empírico de la ciencia hacia el siglo XIX llevaron a la aceptación de la teoría de la gravedad de Newton a pesar del desagrado por la acción a distancia. [1]
Los fenómenos eléctricos y magnéticos también comenzaron a ser explorados sistemáticamente a principios del siglo XVII. En la teoría temprana de William Gilbert de los "efluvios eléctricos", una especie de atmósfera eléctrica, descarta la acción a distancia con el argumento de que "ninguna acción puede ser realizada por la materia salvo por contacto". [11] Sin embargo, experimentos posteriores, especialmente los de Stephen Gray, mostraron efectos eléctricos a distancia. Gray desarrolló un experimento llamado el "niño eléctrico" que demostraba la transferencia eléctrica sin contacto directo. [10] Franz Aepinus fue el primero en demostrar, en 1759, que una teoría de la acción a distancia para la electricidad proporciona un reemplazo más simple para la teoría de los efluvios eléctricos. [5] : 42 A pesar de este éxito, el propio Aepinus consideró que la naturaleza de las fuerzas no tenía explicación: "no aprobaba la doctrina que supone la posibilidad de acción a distancia", preparando el escenario para un cambio hacia teorías basadas en el éter. [11] : 549
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 denomina ley de Coulomb . La sorprendente similitud con la gravedad fortaleció la defensa de la acción a distancia, al menos como modelo matemático. [12]
A medida que los métodos matemáticos fueron mejorando, especialmente a través del 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 todo el espacio. Si bien este modelo matemático no es un medio mecánico, la imagen mental de dicho campo se asemeja a un medio. [2] : 197
Michael Faraday fue el primero en sugerir que la acción a distancia era inadecuada como explicación de las fuerzas eléctricas y magnéticas, incluso en la forma de un campo potencial (matemático). [1] : 341 Faraday, un experimentalista empírico, citó tres razones en apoyo de algún medio que transmite fuerza eléctrica: 1) la inducción electrostática a través de un aislante depende de la naturaleza del aislante, 2) cortar un aislante cargado hace que aparezcan cargas opuestas en cada mitad, y 3) las chispas de descarga eléctrica se curvan en un aislante. A partir de estas razones, concluyó que las partículas de un aislante deben estar polarizadas , y cada partícula debe contribuir a la acción continua. También experimentó con imanes, demostrando líneas de fuerza que se hacen visibles mediante limaduras de hierro. Sin embargo, en ambos casos su modelo de campo depende de partículas que interactúan a través de 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. [1] : 348
Las observaciones de Faraday, así como otras, llevaron a James Clerk Maxwell a una formulación revolucionaria en 1865, un conjunto de ecuaciones que combinaban la electricidad y el magnetismo, tanto estáticos como dinámicos, y que incluían la radiación electromagnética: la luz. [5] : 253 Maxwell comenzó con modelos mecánicos elaborados, pero finalmente produjo un tratamiento puramente matemático utilizando campos vectoriales dinámicos . La sensación de que estos campos deben configurarse para vibrar para propagar la luz desencadenó la búsqueda de un medio de propagación; el medio se denominó éter luminífero o éter . [5] : 279
En 1873 Maxwell abordó explícitamente la acción a distancia. [13] 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 como meras abstracciones matemáticas". El propio Faraday consideraba estas líneas de fuerza como un modelo, una "ayuda valiosa" para el experimentalista, un medio para sugerir experimentos adicionales.
Para distinguir entre los distintos tipos de acción, Faraday sugirió tres criterios: 1) ¿los objetos materiales adicionales alteran la acción?, 2) ¿la acción lleva tiempo?, y 3) ¿depende del extremo receptor? En el caso de la electricidad, Faraday sabía que se cumplían los tres criterios para la acción eléctrica, pero se pensaba que la gravedad solo 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 la llegada de nuevas teorías de la gravedad, la explicación moderna daría a la gravedad todos los criterios, excepto la dependencia de objetos adicionales.
El éxito de las ecuaciones de campo de Maxwell condujo a numerosos esfuerzos en las últimas décadas del siglo XIX para representar los campos eléctricos, magnéticos y gravitacionales, principalmente con modelos mecánicos. [5] : 279 No surgió ningún modelo que explicara los fenómenos existentes. En particular, no surgió ningún 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 estuviera 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. [14] : 326 Lorentz investigó la interacción mutua de electrones solitarios en movimiento dentro de un éter estacionario. [5] : 393 Derivó las ecuaciones de Maxwell de esta manera pero, críticamente, en el proceso las cambió para representar la onda en las coordenadas de los electrones en movimiento. Demostró que las ecuaciones de onda tenían la misma forma si se transformaban utilizando un factor de escala particular , donde es la velocidad de los electrones en movimiento y es la velocidad de la luz. Lorentz notó que si este factor se aplicaba como una contracción de longitud a la materia en movimiento en un éter estacionario, eliminaría cualquier efecto del movimiento a través del éter, de acuerdo con el experimento.
En 1899, Henri Poincaré cuestionó la existencia de un éter, demostrando que el principio de relatividad prohíbe el movimiento absoluto asumido por los defensores del modelo del éter. Llamó a la transformación utilizada por Lorentz transformación de Lorentz , pero la interpretó como una transformación entre dos sistemas inerciales con velocidad relativa . Esta transformación hace que las ecuaciones electromagnéticas parezcan iguales en todos los sistemas inerciales que se mueven uniformemente. Luego, en 1905, Albert Einstein demostró que el principio de relatividad, aplicado a la simultaneidad del tiempo y a la velocidad constante de la luz, predice con precisión la transformación de Lorentz. Esta teoría de la relatividad especial se convirtió rápidamente en el concepto moderno de espacio-tiempo .
Así, el modelo del éter, inicialmente muy diferente de la acción a distancia, fue cambiando lentamente hasta parecerse al simple espacio vacío. [5] : 393
En 1905, Poincaré propuso que las ondas gravitacionales , que emanan de un cuerpo y se propagan a la velocidad de la luz, eran requeridas por las transformaciones de Lorentz [15] y sugirió que, en analogía con una carga eléctrica acelerada que produce ondas electromagnéticas , las masas aceleradas en una teoría relativista de campos de la gravedad deberían producir ondas gravitacionales. [16] 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 campos del espacio-tiempo, la relatividad general , consistente 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 señaló el "enorme éxito práctico" de Newton. [17]
En las primeras décadas del siglo XX, Karl Schwarzschild , [18] Hugo Tetrode , [19] y Adriaan Fokker [20] desarrollaron independientemente 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 libre de campo del electromagnetismo. 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. [21] : 187 La teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman del electromagnetismo evita el problema de la autoenergía. [21] : 213 Interpretan la fuerza de Abraham-Lorentz , la fuerza aparente que resiste la aceleración del electrón, como una fuerza real que regresa de todas las demás cargas existentes en el universo.
La teoría de Wheeler-Feynman ha inspirado un nuevo pensamiento sobre la flecha del tiempo y sobre la naturaleza de la no localidad cuántica . [22] La teoría tiene implicaciones para la cosmología; se ha extendido a la mecánica cuántica . [23] Se ha aplicado un enfoque similar para desarrollar una teoría alternativa de la gravedad consistente con la relatividad general. [24] John G. Cramer ha extendido las ideas de Wheeler-Feynman para crear la interpretación transaccional de la mecánica cuántica.
Albert Einstein escribió a Max Born sobre cuestiones de mecánica cuántica en 1947 y utilizó una frase traducida como "acción fantasmal a distancia", y en 1964, John Stewart Bell demostró que la mecánica cuántica predecía correlaciones estadísticas más fuertes en los resultados de ciertas mediciones lejanas que cualquier teoría local . [25] La frase ha sido recogida y utilizada como descripción de la causa de pequeñas correlaciones no clásicas entre mediciones separadas físicamente de estados cuánticos entrelazados . Las correlaciones son predichas por la mecánica cuántica (el teorema de Bell ) y verificadas por experimentos (la prueba de Bell ). En lugar de un postulado como la fuerza gravitacional de Newton, este uso de "acción a distancia" se refiere a correlaciones observadas que no se pueden explicar con modelos localizados basados en partículas. [26] [27] Describir estas correlaciones como "acción a distancia" requiere suponer que las partículas se enredaron y luego viajaron a ubicaciones distantes, una suposición que no es requerida por la mecánica cuántica. [28]
La teoría cuántica de campos no necesita acción a distancia. En el nivel más fundamental, sólo se necesitan cuatro fuerzas. Cada fuerza se describe como resultante 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 que está mediada por el gravitón . [29] : 132 Sin embargo, todo el concepto de fuerza es de interés secundario en la física de partículas moderna avanzada. La energía forma la base de los modelos físicos y la palabra acción ha dejado de implicar una fuerza para adquirir un significado técnico específico, una integral sobre la diferencia entre la energía potencial y la energía cinética . [29] : 173
Este artículo incorpora texto de una obra de contenido libre . Licencia CC-BY-SA. Texto extraído de La acción de Newton a distancia – Diferentes puntos de vista, Nicolae Sfetcu.
