¿Por qué se usa el infinito en física? ¿Es simplemente fácil?

A menudo, cuando los físicos dicen que una cantidad es infinita, están haciendo una aproximación. Esta aproximación se usa cuando una cantidad es muy grande con respecto a otra. Por ejemplo, cuando los físicos hablan de un “plano de carga infinita” en electrostática, no quieren decir que el avión es de hecho interminable, sino que usan el hecho de que las dimensiones del avión son considerablemente más grandes que el tamaño de una carga cerca o la distancia entre la carga y dicho avión. Otro ejemplo del mismo campo surge de la noción de potencial eléctrico. Como los físicos están interesados ​​en la diferencia en el potencial más que en su valor, necesitan ponerse de acuerdo sobre el llamado punto de referencia (como el suelo es el punto de referencia para el potencial gravitacional). A menudo, el punto de referencia de potencial cero se establecerá en “infinito”. Nuevamente, está destinado a ser una distancia abstracta relativamente grande de un objeto dado (a menudo cargado) donde se mantiene la aproximación.

Para responder a su pregunta, usar una aproximación como esta no solo facilita las matemáticas, sino que a veces es necesario para resolver un problema sin el uso de una computadora (es decir, para encontrar una solución analítica). El conocimiento de la teoría a veces dirá si la aproximación es válida, de lo contrario será un experimento.

El infinito es una aproximación simplificadora. Tomemos, por ejemplo, grandes sumas. Una suma infinita de términos infinitesimales es una integral. La integración es a menudo mucho más simple que tomar una suma grande, por lo que las sumas grandes pueden ser aproximadas muy bien por integrales. En el caso de la mecánica estadística, se trata de números del orden de [matemáticas] 10 ^ {23} [/ matemáticas] que también podrían ser infinitos.

El ejemplo más familiar de infinito en física para la mayoría de los estudiantes de física es probablemente el de la materia continua (gases en termodinámica, esferas cargadas en electromagnetismo, etc.). Sabemos, por supuesto, que la materia no es continua sino que está compuesta de átomos y moléculas. Sin embargo, la física introductoria se vuelve mucho más simple al suponer que la materia es realmente continua, es decir, infinitamente divisible.

Un uso final del infinito está en los límites. Considere, por ejemplo, un objeto en movimiento. ¿Cuál es la velocidad máxima que puede alcanzar? Esto puede determinarse tomando el límite a medida que la energía cinética de la partícula llega al infinito. Según la relatividad especial, el límite de la velocidad de una partícula a medida que la energía llega al infinito es la velocidad de la luz.

El infinito en física (como en matemáticas) es un límite útil para definir dominios, ideas y / o conceptos.

Cada vez que adopta un modelo (una descripción simplificada de la realidad) necesita límites de aplicabilidad. Trivialmente, la psicología y la medicina divide los estados del paciente entre fisiológicos y enfermos (usando algunos índices), actuando en consecuencia; la economía utiliza un enfoque específico si estudian países occidentales o en desarrollo; Las ciencias ambientales tienen cierta lógica cuando hablan de lo que está sucediendo en la Tierra y no, por ejemplo, en Marte.

En cualquiera de estos casos, las reglas aplicadas en un modelo son válidas solo dentro de sus límites. Por lo tanto, las formas en que define dichos límites son tan importantes como el modelo en sí. En este escenario, el infinito es el último límite que puedes encontrar en física, y la razón principal es por simplicidad. La física es más teórica que aplicada (con respecto a otras ciencias como la ingeniería o la economía) y esto significa que sus asignaturas serían más simplificadas y menos reales, es decir, cuando algo es extremadamente grande en comparación con sus sistemas, puede considerarlo como infinitamente grande. Por el contrario, puede decidir dividir algo en piezas infinitamente pequeñas, ya que no tiene ningún problema práctico para hacerlo (le aseguro que nadie pasa su tiempo en un laboratorio haciéndolo). Por lo tanto, sin límites prácticos, eventualmente se encuentran los conceptuales, es decir, la idea del infinito.

También usa el infinito cuando estudia algo que evoluciona en el tiempo (o cambia en el espacio), usando ecuaciones diferenciales: la idea básica aquí es estudiar cómo cambia el sistema considerando dos momentos diferentes en el tiempo (o posiciones en el espacio). Si los lleva infinitamente cerca, tiene una precisión infinita, lo cual es deseable.

Por lo tanto, infinitos e infinitesimales son herramientas poderosas para establecer aproximaciones útiles.

El infinito es un concepto irracional. En realidad, hay dos supuestos de distribución: “infinitamente grande” e “infinitamente pequeño”.

Con infinitamente grande, significa que el tiempo puede tener un volumen infinito, que el tiempo puede durar para siempre y que puede haber infinitas cosas físicas.

Por infinitamente pequeño, significa el continuo. La idea de que todavía un litro de espacio incluye un número infinito de veces, que el espacio puede extenderse indefinidamente sin que ocurra algo malo, y que hay muchas cosas en la naturaleza que pueden cambiar continuamente.

En física, y por lo tanto en realidad, existen infinitos.

En física cuántica se producen infinitos. Un número infinito de fotones reales (las partículas de luz) son emitidos y absorbidos por cualquier carga eléctrica acelerada. Ver divergencia infrarroja. Un detector dado solo detectará un número finito de estos fotones porque el resto (un número infinito) tendrá una energía demasiado baja para ser detectada. Pero todavía están presentes. A medida que aumenta la sensibilidad del detector, el número de fotones observados aumenta asintóticamente hasta el infinito.

La visión aristotélica de que los infinitos no se realizan en la naturaleza es incorrecta. Otro poco de física que Aristóteles se equivocó, como el dogma de que la naturaleza aborrece el vacío.

Ref: Kaku, Michio (1993). Teoría del campo cuántico: una introducción moderna . Nueva York: Oxford University Press. ISBN 0-19-507652-4., Páginas 177-184 y apéndice A6

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