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¿Por qué no se enseña la física introductoria de forma más "axiomática"?

Soy un ingeniero al que le enseñaron los cursos estándar de física de cuatro semestres y dos años del libro de Halliday y Resnick. Sin embargo, después de leer las respuestas perspicaces aquí (por ejemplo, de Ron Maimon impresionante explicación de $v^2$ término en energía cinética ) y algunos buenos libros (por ejemplo QED y la fantástica Espacio-Tiempo-Materia ), mis ojos se han abierto a las posibilidades de explicar conocimientos físicos profundos a partir de simples primeros principios.

Así que mi pregunta es:

¿Por qué no se enseña la Física de forma más axiomática, por ejemplo, introduciendo rigurosamente los conceptos de tiempo y espacio (como hace Weyl), introduciendo después la transformación galileana y el concepto de campo? A continuación, mostrar algunas de sus poderosas consecuencias.

Se puede argumentar que el enfoque clásico es más adecuado para ingenieros y disciplinas afines, lo que probablemente sea cierto. Pero los futuros físicos también aprenden de los mismos libros que me parece increíble.

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Daniel Broekman Puntos 1951

Partiendo de la respuesta de dmckee, incluso a los estudiantes que se interesan por la física les suele gustar adoptar un enfoque "basado en la realidad". Por ejemplo, el tiempo y el espacio: para los estudiantes que comienzan su educación física, es obvio lo que son el tiempo y el espacio, y tratar de definirlos axiomáticamente es sólo una pérdida de tiempo que podrían dedicar a aprender acerca de cosas que pueden do con el tiempo y el espacio. Además, los alumnos se preguntarán por qué tanto esfuerzo en esta definición axiomática, cuando existe una (para ellos) perfectamente satisfactoria. intuitivo definición. Sólo más adelante, cuando se adentran en una física más avanzada en la que las nociones intuitivas de tiempo y espacio no son lo suficientemente detalladas, ven la necesidad de una definición axiomática rigurosa (o semirrígida). Ese es el momento de introducirla.

Por supuesto, hay algunos estudiantes de física que no aceptan nada de la intuición, y que quieren el enfoque riguroso y axiomático desde el principio. Esos estudiantes suelen acabar siendo matemáticos. (Esto también está relacionado con la razón por la que a los matemáticos les encanta burlarse de los físicos: estamos perfectamente dispuestos a trabajar en un marco basado en lo que tiene sentido, en lugar de en lo que se puede demostrar rigurosamente).


Tomando el ejemplo del comentario: ¿por qué no se discute el principio de equivalencia en las clases de mecánica introductoria? Bueno, los estudiantes de física principiantes tienen una idea intuitiva de lo que es la masa: saben que las cosas más masivas son más difíciles de empujar y que son más difíciles de sostener. Así que su intuición les dice que tanto la gravedad como la inercia dependen de lo que ellos saben que es la masa. Esa intuición se confirma cuando ven $m$ que aparece en ambas fórmulas. Si en este momento les dices que la gravedad y la inercia podrían depender en principio de dos magnitudes diferentes, $m_g$ y $m_i$ Quizá lo recuerden como un dato interesante, pero les parecerá bastante inútil en lo que respecta a la física real. Después de todo, intuitivamente saben que $m_g$ y $m_i$ son la misma cosa, a saber $m$ Entonces, ¿por qué te molestarías en usar dos variables diferentes cuando podrías usar una?

De hecho, este concepto en particular es una mala elección para demostrar por qué la intuición no siempre es fiable, porque es un caso en el que tu intuición hace trabajo. Aprender a confiar en la intuición es una habilidad útil en física. Como dijo FrankH, a diferencia de las matemáticas, en las que el fundamento de cualquier teoría es un conjunto arbitrario de axiomas, el fundamento de la física es el comportamiento del mundo físico. Todos tenemos una comprensión innata de ese comportamiento, también conocida como intuición física, y tiene sentido utilizarla cuando es aplicable. El proceso de aprendizaje de la física implica no sólo aprender a utilizar la intuición física, sino también llegar a comprender sus límites, lo que suele implicar enfrentarse a un "número crítico" de fenómenos en los que la intuición física fracasa rotundamente. Una vez que los estudiantes hayan llegado a ese punto, estarán en mejores condiciones de apreciar algo como el principio de equivalencia.

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aceinthehole Puntos 1460

Incluso tal como la enseñamos ahora, la principal queja que oigo de los estudiantes es que la física está demasiado divorciada del mundo real para que les interese. Hacerla aún más abstracta empeorará la situación.

Seguro que hay algún estudiante que apreciaría ese enfoque, pero sospecho que son pocos y distantes entre sí... He visto a estudiantes de posgrado abandonar un curso de termodinámica---usando a Callen---porque el enfoque era demasiado abstracto (al menos eso es lo que él dijo que era su motivación).

Cuando estaba en la universidad me gustaba mucho el estilo formalista, pero en el instituto y en la universidad no tanto.


Aparte: Tal vez formule esta pregunta a algunas de las personas del PER que conozco. Si lo hago, les informaré.

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kymully Puntos 153

Citando a Richard Feynman

http://www.youtube.com/watch?v=kd0xTfdt6qw

En física necesitamos el método babilónico y no el euclidiano/griego. (...) El problema en el método euclidiano es hacer algo sobre los axiomas un poco más interesante o importante; pero la cuestión que tenemos es, en el caso de la gravitación es ¿es más importante, es más básico, es más fundamental, es un axioma mejor, decir que la fuerza se dirige hacia el sol, o decir que se barren áreas iguales en tiempos iguales? Bueno, desde un punto de vista...

...la explicación se alarga mucho más.

Claro que los axiomas son muy útiles si quieres un modelo formal consistente, pero la física no es un modelo consistente cerrado. Uno debe ser siempre consciente de la multitud de posibles puntos de partida que pueden ser equivalentes hoy en día (lo que permite convertir en axioma el que da lugar a la teoría matemáticamente más elegante), pero que pueden llegar a ser diferentes cuando nuevos resultados experimentales hayan cambiado la física. Si sólo has aprendido un modelo "definitivo", ciertamente atractivo desde el punto de vista matemático pero no necesariamente lo suficientemente extensible, tendrás dificultades para adaptar tu punto de vista. Si se ha aprendido pieza por pieza, es mucho más fácil, aunque la teoría parezca menos profunda; pero al fin y al cabo no lo es, así que sería peligroso entrenarse para creer que hay algo irreplacable en ella.

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GP. Puntos 473

Tendría que decir que no se utiliza un enfoque axiomático porque la física no es matemática.

En matemáticas, se empieza con axiomas y es posible partir de ellos para demostrar teoremas aunque los términos utilizados en los axiomas no tengan un significado "intuitivo". Los términos utilizados en los axiomas no son más que símbolos abstractos que son manipulados por las reglas de la lógica que se utilizan para demostrar teoremas. No estoy diciendo que la intuición no sea necesaria en matemáticas, sólo que es teóricamente posible hacer matemáticas como un ejercicio simbólico completamente abstracto.

La física, por su parte, tiene sus raíces en el mundo físico. Tus teorías tienen que tener algún contacto con el mundo físico o, de lo contrario, no estás haciendo física. La "prueba" de que una teoría es correcta no depende de la demostración matemática de que el teorema se deduce de los axiomas, sino de que la teoría hace predicciones que se confirman experimentalmente.

También los físicos teóricos utilizan a veces las matemáticas de forma chapucera o poco rigurosa, lo que es debidamente criticado por los matemáticos. A veces, los matemáticos vuelven atrás y desarrollan formulaciones más correctas desde el punto de vista matemático de los argumentos que utilizan los físicos teóricos.

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usr Puntos 145

Incluso en matemáticas se entiende que no existe un conjunto ÚNICO de axiomas, sino que los axiomas son sólo puntos de partida útiles que pueden modificarse más o menos arbitrariamente sin alterar el edificio del conocimiento que los axiomas pretenden demostrar rigurosamente. Por ejemplo, en Geometría se puede partir de los viejos axiomas euclidianos o de los axiomas de Hilbert y llegar, esencialmente, al mismo tema, la geometría plana. A menudo, lo que es un "axioma" en un sistema es un "teorema" en el otro, o viceversa. La física debe ser vista como el aprovechamiento de los principios matemáticos y no limitada por las matemáticas, realmente no tiene sentido tratar de partir de principios axiomáticos porque los resultados de la física son verdaderos sólo en la medida en que están de acuerdo con las predicciones dentro de ciertos límites estadísticos, esto es casi exactamente el método opuesto a lo que se hace en las matemáticas axiomáticas.

Dicho esto, casi todos los métodos utilizados en matemáticas no son más que formas de extraer implicaciones de resultados que, al menos durante la derivación, se suponen absolutamente ciertos. Cuando los físicos utilizan las matemáticas, asumen implícitamente que cualquier ecuación con la que estén trabajando es absolutamente cierta y que cuando extraen implicaciones de sus ecuaciones están produciendo una verdad matemática al 100%. Sin embargo, estas implicaciones que se extraen de las ecuaciones deben contrastarse de nuevo con la realidad y, si no se cumplen, ya no damos por sentada la suposición y la verdad matemática que se produjo bajo la suposición provisional es en realidad una falsedad física cuando se compara con los datos empíricos, y sólo es falsa en la medida en que no alcanza algún tipo de umbral estadístico. Así pues, una verdad matemática puede ser una falsedad física.

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