¿Qué significa "la física se rompe"?

Question

Sigo oyendo a la gente hablar de cómo la física se rompe, por ejemplo, en el centro de un agujero negro. Tal vez sea demasiado estúpido, pero ¿por qué? ¿Cómo podemos decir eso? Por lo que sabemos, un agujero negro podría ser simplemente una esfera muy densa. Algo así como una estrella de neutrones donde todos los átomos se combinan para convertirse en un único objeto. Sólo un paso más allá.

Ahora estoy bastante seguro de que no supero a todo el mundo en este momento. Por lo tanto, lo más probable es que no entienda algo que todo el mundo entiende.

¿Puede alguien explicar por qué sabemos que la física deja de funcionar?

Answer 1

Estás preguntando por la singularidad de un agujero negro, y a qué nos referimos cuando ves frases como "la física se rompe" o "hay un problema con la renormalizabilidad".

La relatividad general también funciona perfectamente como teoría cuántica de campos efectivos de baja energía. El verdadero problema no es tanto la no normalizabilidad como el comportamiento a altas energías inconsistente con la teoría cuántica local de campos. Haciendo experimentos de dispersión a energías cada vez más altas, se aprende sobre física a escalas de longitud cada vez más cortas. Si pudiéramos hacer colisionar dos partículas con un centro de masa de energía mucho mayor que la escala de Planck, entonces cuando colisionaran 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 dispersas a una energía aún mayor, crearías un agujero negro aún mayor, porque el radio de Schwarzschild crece con la masa. Por tanto, cuanto más nos esforzamos por estudiar distancias más cortas, peor nos va: creamos agujeros negros cada vez más grandes que engullen distancias cada vez mayores.

¿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, la RG y la QFT funcionan perfectamente bien juntas.

Verás, en QFT, si quieres hacer experimentos para descubrir objetos a distancias muy cortas, utilizas (dispersas partículas a) niveles de energía más altos (en cierto modo, se puede decir que esto es gracias al HUP).

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

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

Answer 2

Un ejemplo muy sencillo de física desglose puede explicarse mediante 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 tenemos 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 masa, pero básicamente no tienen radio. Por tanto, la ecuación no tendría sentido en este caso: la física se "rompería".

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

-Claramente no explica cómo se modifica la trayectoria de las partículas sin masa, como el fotón, al atravesar objetos masivos como los agujeros negros. Puesto 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 mediciones experimentales, la relatividad general seguiría siendo el doble de exacta. Por lo tanto, la ecuación no tendría sentido en este caso: la física se "rompería".

Answer 3

"La física se rompe" es una frase pegadiza. Tiene una perspectiva histórica. Algunos identifican la frase con el fenómeno de la singularidad en física. Y es de ahí de donde procede. Se trata de un fenómeno de la física estadística que no se refiere a una sola partícula, sino a la kleinkanónica y la großkanónica del físico estático alemán que lo introdujo. Fue entonces adoptado y aplicado a las teorías del agujero negro. Y lo colocó bien en los appraoches teóricos de la información a la singularidad durante el acercamiento de la superficie del horizont del agujero negro.

Perspectiva Bilanzing La descomposición no es, por tanto, una perspectiva de proceso, sino una perspectiva de bilanzamiento. Podemos hacernos ciertas preguntas sobre lo que se aproxima a la singularidad, pero no podemos afirmar nada sobre la última fase y la transformación transitoria más allá de la superficie del horizonte de sucesos. La discusión se ha transformado hacia los puntos de vista de si la información se conserva o no. ¿Se conserva la información en los chorros emisores? ¿Qué ocurre en el origen de los chorros emitidos? etc.

Desglose de la metodología La ruptura se dirige originalmente a la transición de fase que no eran copable con metodologías de la termodinámica neiter clásico, semiclásico o quantumechanical. Y que hoy en día no se pueden resolver con metodologías de teoría de cuerdas. Además, la física se aferra a los métodos antiguos. Los problemas de transicion de fase ya estan presentes en el agua, metano y carbondioxido y muchos de los quimicos contaminantes del medio ambiente moderno.

Sigue siendo una ruptura metodológica que el modelo estándar no esté completo. Que no lo sabemos todo sobre las partículas elementales, por ejemplo el neutrino. El neutrino está al lado del fotón que parece estar libre de ruptura hasta que nos fijamos en el problema del enfoque, la cuestión de la 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.

La física se descompone como un fenómeno clásico Algún experto ha afirmado que hay que partir del cero absoluto de temperatura para tener ideas sobre el manejo de la física. Así que el ejemplo estándar más moderno es la supraconductividad y la superconductividad. La física ya se rompe en el problema de Hill de tres partciles aunque sean clásicos. Sólo en cierta situación el problema puede estar en una perspectiva de la física predictiva ser calculado.

Ten paciencia, añadiré más sabiduría más adelante.

Answer 4

Se sabe que casi todas las teorías de la física son aproximaciones y ninguno se conoce con precisión. Es posible que incluso las teorías que se consideran precisas sean en realidad aproximaciones, pero más exactas que cualquier equipo que pueda utilizarse para probarlas.

Cuando se dice que una teoría se "descompone" en determinadas condiciones, lo que se quiere decir es que sus aproximaciones al comportamiento esperado divergen lo suficiente del comportamiento real en esas condiciones como para hacerla inútil para hacer predicciones. Por ejemplo, si se sabe que una determinada masa de H2O llena un determinado volumen a una presión de una atmósfera cuando la temperatura es de 1400K, la ley de Charles estimaría que reducir la temperatura a 700K reduciría el volumen a la mitad, y esa estimación sería bastante exacta. También estimaría que reducir la temperatura a 350K reduciría el volumen a la mitad de nuevo, pero esa estimación estaría fuera de los órdenes de magnitud (el volumen se reduciría mucho más cuando la temperatura cayera por debajo de 373,15K y el H2O se condensara).

Las observaciones astronómicas permiten a los científicos formular aproximaciones sobre cómo se comportan algunas cosas en condiciones que no pueden crearse en un laboratorio, pero es muy difícil hacer observaciones precisas sobre cosas muy cercanas al horizonte de sucesos de un agujero negro, y según las teorías actuales es imposible hacer observaciones sobre nada que esté dentro de uno. Por lo tanto, no sólo no hay teorías que puedan demostrar que se aproximan con exactitud al comportamiento de las cosas dentro de los agujeros negros, sino que ni siquiera se conoce ningún método para recopilar los datos que serían necesarios para formular tales aproximaciones ni para probar su exactitud.

Answer 5

"La física se rompe" es otra forma de decir que los físicos no tienen ni idea de cómo tratar 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 la función $f(x)=1/x$ para el argumento $x=0$ . Albert Einstein distinguía entre dos tipos de teorías físicas: una teoría constructiva y una teoría de principios. La primera modela algún rango limitado de un fenómeno físico, como la teoría de la gravitación de Newton, y la segunda, como la Relatividad General, es generalmente válida, debido al principio subyacente [1]. Por lo tanto, la aceptación general de las singularidades como un fallo de la teoría de Einstein significa en realidad su degradación a una especie de "teoría mejorada de la gravitación de Newton", es decir, a una teoría constructiva. Supongo que Einstein no estaría de acuerdo con esta opinión. El propio Sir Roger Penrose dijo sobre su teorema de la singularidad: "Lo que realmente demostró es que el espacio-tiempo no podía continuar, debía llegar a su fin en alguna parte, pero no dice cuál es la naturaleza de ese fin sólo dice que el espacio-tiempo no puede continuar indefinidamente". [2]. Así pues, 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 de "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