¿Hay alguna prueba física del movimiento?

Question

Digamos que tenemos 2 pelotas de tenis en el espacio, una en movimiento (digamos, empujada por un astronauta), y la otra quieta.

Si pudiéramos tomar una instantánea de ambas pelotas de tenis, ¿habría alguna evidencia que pudiera sugerir que una se está moviendo y la otra está quieta? ¿Hay algo que ocurra, a nivel atómico o mayor, que sea responsable del movimiento?

Si no lo hay, y ambas bolas son absolutamente idénticas, ¿cómo es que una está quieta y la otra se mueve? ¿De dónde viene la diferencia de movimiento?

Answer 1

Según la física clásica: no. Es imposible saber a qué velocidad se mueve algo a partir de una instantánea.

Según la relatividad especial: sí. Si elegimos un marco de referencia en el que una de las bolas está en reposo, entonces sólo esa bola se verá normal. La otra bola se mueve en este marco, por lo que estará contraída en longitud. Si su longitud en reposo es $L$ entonces su longitud será ahora $L\sqrt{1-v^2/c^2}$ . Desde $1-v^2/c^2<1$ la pelota será más corta en la dirección en que se mueve.

Según la mecánica cuántica: ¿sí? En la mecánica cuántica las partículas se describen mediante una función de onda $\psi(x)$ que (de forma manual) dice qué cantidad de la partícula está presente en un punto determinado. Una pelota de tenis también se describe mediante una función de onda que se obtiene combinando todas las funciones de onda de sus átomos. La función de onda contiene toda la información que se puede conocer sobre un objeto, incluida su velocidad. Por tanto, si pudiéramos detener el tiempo y observar la función de onda, tendríamos suficiente información para conocer su velocidad (probablemente). En la vida real no se pueden observar las funciones de onda: hay que realizar un experimento para extraer información de la función de onda. Llegados a este punto, te preguntarás si eso sigue contando como tomar una instantánea.

Answer 2

Si pudiéramos tomar una instantánea de ambas pelotas de tenis, ¿habría alguna evidencia que pudiera sugerir que una se está moviendo y la otra está quieta?

No podemos. Problema resuelto.

Bueno, casi problema resuelto. Así que, en realidad, podemos tomar exposiciones cada vez más cortas. Puedo tomar una exposición de 1 segundo de la escena, donde la pelota de tenis en movimiento estará muy borrosa mientras que la inmóvil estará nítida. Puedo capturar la misma escena a 1/100 de segundo, y la pelota en movimiento se verá más nítida como la inmóvil. Puedo capturar la misma escena a 1/1000 de segundo, y será muy difícil para el ojo humano discernir cuál está en movimiento. Puedo hacer estas instantáneas cada vez más cortas. De hecho, hemos observado escenas de imágenes a velocidades de obturación tan exactas que podemos ver cómo se propaga la luz a través de la escena . Pero nunca llegamos a un estancamiento perfecto. Nunca llegamos a una velocidad de obturación infinitamente rápida.

Ahora, perdóname si me desentiendo un poco, pero hay un conjunto inimaginablemente grande de pruebas de que el movimiento existe. En particular, no se puede predecir mucho si se asume que no hay movimiento. Así que desde ese punto de vista empírico, deberíamos encontrar que el movimiento existe. Desde un punto de vista filosófico, hay algunas cuestiones interesantes que se pueden plantear en relación con las visiones perdurables del universo, pero desde una perspectiva científica, generalmente estamos de acuerdo en que el movimiento existe.

Entonces, ¿cómo resolvemos el enigma que se plantea? La respuesta es el cálculo. Hace aproximadamente 400 años, Isaac Newton y Gottfried Leibniz desarrollaron de forma independiente una forma coherente de tratar los valores infinitesimales. En general, aceptamos esta forma como la "correcta" de tratarlos. No nos permite considerar una velocidad de obturación realmente infinita, que nos permita aislar un momento perfectamente, para ver si hay movimiento o no, pero sí nos permite responder a la pregunta "¿qué pasa si subimos la velocidad de obturación? ¿Qué pasa si vamos a 1/100 de segundo, a 1/1000, a 1/100000, a 1/0000000000 de segundo y seguimos avanzando?". ¿Qué pasa si tenemos un periodo de exposición infinitesimal en nuestra cámara?

Utilizando ese rigor, lo que encontramos es que modelar el mundo que nos rodea requiere realmente dos cosas. La primera son los valores con los que estamos familiarizados, como la posición. Y la segunda es la derivados de esas cosas conocidas, como la velocidad. Estos son los resultados de aplicar el cálculo al grupo anterior.

Nos encontramos con que modelos como el lagrangiano y el hamiltoniano funcionan extraordinariamente bien para predecir prácticamente todos los sistemas. Estos sistemas incluyen explícitamente este concepto de derivada en ellos, esta idea de una "tasa de cambio instantánea". Así que decimos que hay movimiento, ¡porque parece inimaginablemente difícil creer que estos modelos funcionen tan bien si no hubiera movimiento!

Como nota adicional, el experimento se realiza en el espacio, por lo que no hay mucho con lo que interactuar. Sin embargo, si hubieras hecho el experimento en el agua, el flujo caótico que hay detrás de la bola en movimiento te parecería muy interesante. Se producirían fascinantes y hermosos giros que son muy difíciles de explicar a menos que se asocien con algún movimiento hacia adelante.

Answer 3

Los cilindros no existen

Si te muestro una imagen de dos objetos redondos y te digo que uno es una esfera y el otro un cilindro que estás viendo de frente, ¿cómo puedes saber si estoy diciendo la verdad o mintiendo? No puedes, y por lo tanto, concluyo que no hay diferencia entre esferas y cilindros, porque carecemos de las pruebas adecuadas para su existencia.

Proyección

La cuestión es que movimiento requiere tiempo y un instantánea es una proyección de un objeto extendido en 4 dimensiones a 3 o 2 dimensiones. Las proyecciones más ingenuas destruyen necesariamente la información sobre las dimensiones adicionales. Si elimino uno de los ejes que ayudaría a distinguir un cilindro de una esfera (ignorando los reflejos de la luz, etc.), no es diferente a que elimine la dimensión del tiempo para que sea imposible distinguir entre un objeto en movimiento o uno estático.

Conclusión:

Si quieres establecer la existencia separada de esferas y cilindros, debes examinarlos en todas las dimensiones que los hacen diferentes. Si quieres establecer la existencia de objetos dinámicos en 4D (objetos que varían en la dimensión temporal), debes examinarlos en todas las dimensiones que los diferencian de los objetos puramente estáticos (los que son constantes a lo largo de la dimensión temporal).

Answer 4

Se trata del marco de referencia, en el marco de referencia de la pelota de tenis empujada por el astronauta, se podría considerar que está parada y la otra pelota, el astronauta, y todo lo demás como en movimiento. En el marco de referencia de la otra pelota se podría considerar que está quieta, y la primera pelota en movimiento. Si estuvieras con cualquiera de las dos, en su marco de referencia, todas las leyes físicas del universo serían las mismas y ninguna de ellas podría preferirse como absoluta. Este es uno de los fundamentos de la relatividad.

Answer 5

Estás limitando tu instantánea a una imagen en 3D.

Si se tomara una instantánea en 2D, sería imposible saber la profundidad de las "pelotas" de tenis (además de no poder saber su movimiento).

Así que, toma una "instantánea" en 4D, y todo estará bien.