В чем принципиальная разница между постоянной скоростью и ускорением?

Разница в том, что ускорение является абсолютным, а скорость относительным. Другими словами, локальные законы физики совершенно одинаковы для двух объектов, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга, поэтому не существует локального эксперимента, который мог бы определить, движется ли один объект, а другой неподвижен. С другой стороны, если два объекта ускоряются относительно друг друга, то локальные законы физики, определяющие их поведение, различны, поэтому можно найти их абсолютное ускорение. Как определяется состояние нулевого абсолютного ускорения? См. принцип Маха .

Итак, если заряженная частица испускает электромагнитное излучение, то она ускоряется; если нет, то ускорение равно нулю.

Очевидно, что электрон не «знает», ускоряется он или нет — его поведение определяется законами физики. В самом деле, вы могли бы сказать, что законы физики здесь являются фундаментальными глобальными сущностями, а электрон — это просто локальное проявление этих законов, которое обладает определенными локальными свойствами, такими как заряд, масса и вращение.

Электромагнитное излучение, вызванное заряженной частицей, является классическим эффектом, а это означает, что нам не нужна специальная теория относительности или общая теория относительности, чтобы вывести его. Это не значит, что они не дают более глубокого понимания, но я бы сказал, что они мутят воду больше, чем необходимо.

Одна из фундаментальных идей состоит в том, что распространение электромагнитной силы происходит с конечной скоростью . В терминах поля (которое отличается от классической электродинамики только в философском смысле) мы можем сказать, что изменения поля из-за источников (зарядов) распространяются с конечной скоростью,$c$, скорость света.

Некоторые другие ключевые идеи: электрический заряд является фундаментальным источником и наблюдателем электромагнитной силы (поля). Все изменения в электромагнитном поле происходят из-за присутствия и движения заряда, и единственными объектами, которые взаимодействуют с полем, являются, по определению, электрические заряды. Следовательно, наличие электромагнитных волн — это утверждение о связи между электрическим зарядом и всеми другими электрическими зарядами во Вселенной.

Как описано в предыдущем ответе, скорость относительна, поэтому невозможно сказать, между двумя зарядами, движущимися друг мимо друга с фиксированной скоростью, кто движется, а кто стоит. Сравните это с ускорением, когда эти непрерывные изменения реализуются в более абсолютном смысле. В каком-то смысле скорость ничем не отличается от отсутствия движения, в зависимости от вашей точки зрения; но этого нельзя сказать об ускорении. Это заложено, например, в законах движения Ньютона ($\mathbf{F}=m\mathbf{a}$). Скорость и ускорение не являются аналогичными понятиями.

Наконец, волна в электромагнитном поле — это описание импульса, распространяющегося через поле; заряд, движущийся с постоянной скоростью, создает не импульс, а заряд, который ускоряется или замедляется относительно другой воли. Посмотреть анимацию тормозного излучения можно здесь .

Так что это должно привести вас к пониманию того, как заряженная частица «узнает», что она ускоряется. Это не так. Дело в том, что если заряженная частица ускоряется относительно неподвижного наблюдателя, то электромагнитное поле будет иметь «рябь» вдали от частицы. Частица ни о чем не говорит. Не нужно рассматривать ничего из квантовой механики или общей теории относительности, просто старую добрую классическую электродинамику.

Я думаю, что ваш аргумент «отсутствие памяти» предполагает, что время фундаментально отличается от пространства: вас не удивит, что существует обмен информацией между «непосредственно соседними» местами в пространстве. По сути, это единственное взаимодействие. Но пространство и время связаны, и, как и в случае с пространством, мы только «взаимодействуем» — то есть напрямую — с непосредственно соседними местами во времени. Действительно, общая теория относительности показывает, что мы можем заменить одно другим, если изменим нашу систему отсчета. Общая формулировка такова: «мы взаимодействуем только с нашими непосредственно соседними точками в пространстве-времени». В том, что мы видим, например, свет многолетнего прошлого, нет противоречия: мы видим его только тогда, когда после долгого путешествия

Вероятно, вы могли бы сказать, что «память», необходимая для непрерывности, содержится в самом пространстве-времени: она состоит из свойств каждого маленького пространственно-временного «вокселя» во Вселенной.

Понятно, что элементарная частица, такая как электрон, «знает» свой импульс как внутреннее свойство, поскольку это частота волновой функции (по крайней мере, в данной системе отсчета).

Но это просто взгляд на частицу как на один момент времени. В КМ волновая функция является функцией пространства и времени . То есть она представляет собой всю мировую линию. Там, где частица ускоряется, частота меняется, так что это скорее «чириканье», чем постоянное значение.

Таким образом, можно сказать, что ускорение также закодировано в волновой функции.
Но... на самом деле ускорение вызывается взаимодействием с другими объектами. Волновая функция всей системы будет кодировать ньютоновское движение частицы как путь, который не аннулируется. Ускорение находится «там» в результатах, но это не свободный параметр, который можно установить (например, импульс или положение), а эффект взаимодействия с другими объектами. Это описание эмерджентного свойства , точно так же, как давление и температура газовых законов на самом деле не являются свойствами отдельных частиц, а возникают в результате взаимодействия всех частиц.

Что касается пространства-времени, то ускорение и гравитация — вещи схожие. Заряженная частица, которая ускоряется, в основном испытывает силу. ЭМ-волны есть не что иное, как передача возмущения в электромагнитном поле заряда.

Если рассматривать скорость и ускорение с чисто кинематической точки зрения, между ними нет принципиальной разницы. Одна является первой производной от местоположения по времени, другая - второй. Два движущихся с ускорением тела, движущихся вместе друг с другом, будут находиться в покое относительно друг друга столько же, сколько два тела с одинаковой постоянной скоростью.

Классически ЭМ-излучение - это эффект, зависящий исключительно от наблюдателя, состоящий из тех компонентов ЭМ-поля, которые связаны с ускорением (относительно наблюдателя). Сама частица (при условии, что это точечная частица) не может «знать», ускоряется она или нет.

В квантовой механике это, конечно, концептуально становится другим.

Если быть до конца честным - физика не знает ответа на ваш вопрос. Мне также кажется загадочным, что частица может иметь информацию о том, как быстро она двигалась в прошлом. Здесь нет строгой логической несогласованности, поэтому, возможно, нам просто нужно довольствоваться тем, что «это то, что мы наблюдали». Но, возможно, есть какой-то основной механизм, который мы еще не поняли.

Это во многом напоминает мне проблему, которая беспокоила Ньютона в его теории гравитации: как планета, вращающаяся вокруг звезды, «знает» о гравитации звезды и особенно об изменениях этой гравитации по мере смещения положения звезды? Позже это стало лучше понимать в свете общей теории относительности, и, конечно, нужно было понять больше лежащих в основе механизмов.

Я думаю, что разные разделы физики дадут вам разные способы думать о том, какие части системы что «знают». Различные формализмы могут давать разные ответы на вопрос, где хранится эта информация (в частицах? в полях?).

С точки зрения статистической механики каждая частица несет («знает») 6 частей информации: три компонента ее положения и три компоненты ее скорости . То же самое можно сказать о трех компонентах его положения и трех компонентах импульса. Для этих шести фрагментов информации существует своего рода память. С другой стороны, на этом рисунке ускорение обычно можно рассчитать по положению всех частиц в системе (и, возможно, по скорости, если включить магнетизм:$\mathbf{F}_\mathrm{EM} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$). Так что вам не нужна память для ускорения.

Если вы кодируете моделирование молекулярной динамики (может быть, моделирование ионов в плазме?), у вас обычно есть массив трехмерных положений для каждой частицы и массив трехмерных скоростей для каждой частицы. Эквивалентно, у вас может быть массив 3D-позиций в текущий момент времени и другой массив 3D-позиций в предыдущий момент времени. Вам нужно сохранять эти массивы от одного временного шага к другому, в то время как силы и ускорения сохранять не нужно. Затем вы вычисляете изменение скорости этой частицы по градиенту потенциальной энергии для положений этой частицы (сила). Потенциальная энергия рассчитывается как функция всех положений частиц.

Это нерелятивистская картина, потому что способ$V(\ldots)$написано предполагает, что движение других частиц сообщается мгновенно. Это становится более сложным, если вы включаете релятивистские эффекты и излучение, потому что тогда вам нужно включить состояние полей или состояние системы в предыдущие моменты времени (запаздывающее время). Формула Фейнмана-Хевисайда, по-видимому, нуждается в информации о положении, скорости и ускорении в запаздывающий момент времени.

С квантовой точки зрения информация о текущей скорости частицы закодирована в волновой функции.

См., например, следующий волновой пакет одномерной частицы. Синяя линия показывает волновую функцию; расстояние до черной линии показывает амплитуду, а угол показывает фазу. Количество оборотов, которые она делает, пропорционально импульсу: чем больше синяя линия вращается вокруг черной линии, тем быстрее движется частица. Чтобы ответить на ваш вопрос, если Вселенная хочет узнать скорость частицы, она может просто посмотреть на волновую функцию. Если эта скорость увеличивается, частица ускоряется.

источник изображения: https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_packet

Это сложная концепция. Мы столько раз узнаем, что объекты не имеют объективного представления о собственной скорости, что начинает казаться странным, что объекты действительно обладают объективным (измеримым) представлением о собственном ускорении. Одним из примеров является электромагнитное излучение ускоряющейся частицы, другим — радиоизлучение вращающихся магнитных звезд.

Я думаю, что самый чистый ответ это. Из второго закона Ньютона мы знаем, что ускорение связано с внешней силой. Таким образом, частица «знает, что она ускоряется», потому что она подвержена этой внешней силе со стороны какой-то другой частицы (частиц).

Это не совсем удовлетворительно, когда речь идет о вращающихся телах. Два пушечных ядра, связанных друг с другом в пустой вселенной, могут вращаться вокруг своего центра с соответствующим натяжением веревки или они могут стоять без напряжения. Эти две ситуации (в наших лучших теориях) физически различны, но это немного загадка, что именно следует определять по отношению к вращению, учитывая, что пример предполагает, что их не с чем сравнивать.

См. книгу Тима Модлина «Пространство и время» для очень интересного рассказа о пушечных ядрах.

Я думаю, что ваш вопрос затрагивает суть того, что мы классифицируем как эпистемологический или онтологический, и, вероятно, очень красивую тайну вселенной.

Я бы сказал, что ответ на ваш вопрос сводится к информации и динамике. Неформально воспринимайте информацию как одно значение в (многомерном) фазовом пространстве, тогда как динамическое будет соответствовать тому, как эти значения изменяются со временем.

Скорость и положение являются информацией, тогда как ускорение является динамическим. Так происходит в большинстве случаев в физике, хотя они естественным образом связаны производными по времени (скорость — это то, как положение меняется во времени, а ускорение — это то, как скорость меняется во времени). По какой-то причине природа выбрала производные по времени второго порядка для описания динамики систем большую часть времени. Может быть, потому, что при этом любое заданное ускорение как функция времени всегда будет давать гладкую траекторию.

Таким образом, «знание», которое ваша частица и электромагнитное поле имеют о самих себе, — это то, что я здесь назвал информацией. С точки зрения динамики, которая ими управляет, все они представляют собой одну большую вещь.