Han pasado 100 años desde que se inventó la relatividad general. ¿Por qué no es esta parte del plan de estudios de la escuela primaria estándar?

¿Escuela primaria? La relatividad general (GR para abreviar) es apenas un tema apropiado para estudiantes de física de pregrado. Es posible obtener un título en física sin estudiar GR, o al menos ese fue el caso cuando estaba en la escuela.

Si bien las ideas cualitativas de la relatividad general se pueden explicar con palabras (masa y energía son equivalentes, las deformaciones de la energía de la masa en el espacio-tiempo y eso crea gravedad), ir más allá de eso requiere algunas matemáticas muy avanzadas, a saber, el cálculo del tensor. Los estudiantes de matemáticas de pregrado no aprenden el cálculo tensorial. Es imposible incluso explicar adecuadamente qué es el cálculo tensorial para alguien que aún no tenga un buen conocimiento del álgebra lineal y el cálculo, y mucho menos enseñarles el tema. Diablos, pasé años estudiando matemáticas y física, y apenas entiendo de qué se trata el cálculo tensorial. Ciertamente no conozco el tema.

Sin las matemáticas, no estás enseñando física, estás enseñando física.

Entonces, ¿podría mostrarles a los estudiantes de la escuela primaria algunos diagramas, hablar un rato sobre masa, energía, tiempo y espacio, y decir que les enseñó sobre relatividad general? Yeah Yo supongo. Pero no estoy seguro de cuál sería el beneficio. Si la idea es inspirar a los niños con indicios de lo exótico y extraño que puede ser el universo, eso se puede lograr utilizando temas más concretos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones y el Big Bang.

¿Alguna vez has intentado calcular con él?

Digamos, por el bien del argumento, que podríamos obtener estos estudiantes de primaria a través de la formación matemática requerida (cálculo de tensor: grado universitario de 3º o 4º año para matemáticos o físicos) y luego realmente entendimos los problemas conceptuales (esto hizo que mi cabeza girar como un estudiante universitario, y no ha dejado de girar completamente ahora.

Incluso con todo esto en su lugar, es casi imposible encontrar una solución a las ecuaciones de campo de Einstein.

Existe una razón por la que todas las soluciones exactas conocidas tienen nombres: la métrica de Schwarzchild, la métrica de Kerr, la métrica de Reissner-Nordstrom, Friedman-Robertson-Walker, de Sitter, Godel, y no muchas otras. Estos son nombres de grandes físicos (además de un gran lógico), y ahora casi todos los recordamos por la gestión para encontrar esas soluciones. Crear una nueva solución exacta importante sería un evento bastante grande, y se realiza un trabajo práctico más avanzado con una combinación de métodos numéricos y perturbaciones en las soluciones ya conocidas (o como perturbaciones en la física newtoniana).

Así que digamos que enseñamos estas cosas a los escolares de primaria. Les habríamos presentado un andamiaje masivo de aparatos matemáticos avanzados, y luego un conjunto de ecuaciones que tendríamos que admitir no serían susceptibles de solución. Podríamos enseñarles algunas de las soluciones conocidas y algunos de los métodos de perturbación (esto es lo que hacemos con los estudiantes de hoy), pero no habría ninguna aplicación práctica para nada que pudieran hacer más tarde, a menos que fueran cosmólogos. Sinceramente, estoy desconcertado en cuanto a qué demonios haría esto.

¿Cuántos años han pasado desde la llegada de la geometría euclidiana (incluidas pruebas rigurosas basadas en axiomas)?

¿Cuántos años han pasado desde la llegada del cálculo integral y diferencial?

¿Cuántos años han pasado desde el advenimiento de la teoría de Galois?

Podría seguir y seguir. Hay una lista casi infinita de cosas que la humanidad ha conocido durante siglos (o milenios) pero que son demasiado complicadas para ser enseñadas en la escuela primaria.

Algunas personas parecen no darse cuenta de que los antiguos también eran inteligentes . El hecho de que las personas inteligentes de hoy puedan usar los descubrimientos antiguos y luego desarrollarlos aún más no significa que las personas de hoy sean de alguna manera más inteligentes. Las cosas difíciles siguen siendo, en general, difíciles , por lo que no intentamos enseñarles a los niños de la escuela primaria.

Hay muy poca física enseñada actualmente en la escuela primaria. Y creo que eso es sabio. Incluso en la escuela secundaria, a menudo se recomienda que los estudiantes tomen biología y química antes de tomar la física. La física es sustancialmente más abstracta, y eso lo hace desafiante. Los estudiantes que tienen dificultades con tales abstracciones suelen tener dificultades con las matemáticas y la física, pero no con las otras ciencias.

Creo que los estudiantes de escuelas primarias deberían estar expuestos a la ciencia, a la ciencia general, y no tener que dividirse en subdisciplinas. La biología es fascinante; la química es emocionante; y la física introducida en ese nivel suele ser aburrida (¿planos inclinados?) o demasiado computacional.

Creo que en la escuela primaria podemos enseñar que la gravedad es una fuerza, que lo mismo que hace que una manzana caiga es lo que mantiene a la luna en órbita. Recuerdo que de niño aprendí que las fases de la luna fueron causadas por la iluminación de una esfera en diferentes ángulos. ¡Me encantó que! Podemos demostrar ejemplos asombrosos que solo pueden entenderse con el concepto de centro de masa.

Enseño a una clase de cuarto grado cada año, y trato de darles una idea de lo que significa ser un físico. Hablo sobre la electricidad (muéstrales las chispas de un Van de Graaff), hablo sobre astronomía, cómo los físicos y los geólogos trabajaron juntos para descubrir el misterio de la desaparición del dinosaurio. Les muestro una pequeña porción de Marte que tengo (puedes comprar piezas de un meteorito marciano de Edmund Scientifics); Les dejo que lo sostengan y les digo que cuando les dicen a sus padres que hicieron eso, que ellos no les creerán (pero pueden llamar al maestro para verificar). Pero todo lo que realmente estoy tratando de hacer es estimular el interés. La física real implica matemáticas, y son demasiado jóvenes para aprender eso.

La primera vez que entré en contacto con la relatividad general fue cuando leí el libro clásico “One Two Three … Infinity” de George Gamow; Creo que tenía 14 años. E incluso eso era solo cualitativo, no cuantitativo.

Esta podría ser una buena oportunidad para que usted contemple cómo diseñaría un plan de estudios. ¿Cuáles son los criterios por los cuales se incluye o no un tema? ¿Y cómo se decide la cantidad de cobertura que recibe un tema en particular? Aquí están sus limitaciones de diseño:

• Los estudiantes tienen capacidad limitada de atención y capacidad de aprendizaje. De hecho, esa capacidad es minúscula en comparación con el conocimiento colectivo de la humanidad.
• Al final de un programa de escuela primaria estándar, los estudiantes no tienen una edad en la que tengan claridad en lo que quieren hacer en la vida. En general, no están equipados para tomar decisiones a largo plazo que alteren la vida (por ejemplo, su elección de carrera).
• Alguna fracción (tal vez una fracción grande) de los estudiantes no tendrá ninguna necesidad de matemáticas más allá o incluso de cálculo en sus vidas.

Ahora, de ninguna manera es evidente por sí mismo, pero parece al menos razonable comenzar con los temas que ofrecen más por el dinero, ya que “bang” es lo útil que es un tema en la vida diaria, “buck” es la cantidad de tiempo y tiempo. Se requiere atención para aprender el tema. Por ejemplo, aprender a leer y escribir ofrece una gran inversión, por lo menos hasta cierto punto. Dotar a los estudiantes para que se expresen razonablemente claramente por escrito es una buena idea sin controversia. Pero eventualmente la recompensa no está ahí: uno no le pediría a un estudiante que lea 10,000 libros para hacerlos mejores escritores. Los rendimientos podrían comenzar a disminuir en, digamos, el libro # 50.

Veamos el bang vs. buck para la relatividad general.

Las respuestas anteriores exploran la parte “buck”: la maquinaria matemática avanzada requerida para describir GR. No estoy en desacuerdo con nada de eso, pero me apresuro a señalar que es posible explorar GR más superficialmente. De hecho, si un estudiante está dispuesto a tomar algunas cosas sobre la fe, es posible lograr un progreso significativo en los RR.GG. con solo álgebra y quizás un poco de cálculo. (Ver, por ejemplo, Explorando Agujeros Negros). Ese no es el verdadero problema desde mi punto de vista.

El verdadero problema es que hay muy poco “bang”. Con la excepción de sincronizar satélites con relojes en el suelo, no tengo conocimiento de una sola aplicación de ingeniería de GR. Incluso entonces, el “factor de corrección” proporcionado por GR es muy simple, y uno no necesita tener un fondo en GR para usarlo.

De lo contrario, la gravedad newtoniana funciona bien. ¿Calculando las fuerzas sobre un puente o estructura similar? ¿Calculando la trayectoria de un proyectil balístico? ¿Calculando la energía involucrada en una cascada? La gravedad newtoniana funciona bien para todo eso.

No me malinterpretes, no estoy denigrando GR. La gente debería estudiarlo. Pero esas personas son físicos y matemáticos (ya sean aficionados o profesionales), no la población en general.

Olvida lo difícil o fácil que es la relatividad general enseñar o aprender. Si quieres enseñarlo en la escuela primaria, ¿qué va a reemplazar? ¿Qué se enseña que es menos importante que la relatividad general? Ya no hay suficiente tiempo de instrucción para enseñar lo que ya se requiere.

Un punto adicional: si trata de hacer que un estudiante aprenda algo que no puede entender o no está listo para aprender, hay una buena posibilidad de que haga que decidan que nunca podrán aprender ese tema en el futuro. Un póster mencionó que solo relativamente Recientemente se ha enseñado rutinariamente álgebra en la escuela secundaria. Enseñé álgebra I en el distrito donde todos los estudiantes tomaron álgebra I en octavo grado, listos o no. Probablemente no sea una coincidencia que haya muchos estudiantes de segundo año o más en mis clases y la mayoría de ellos estaban absolutamente convencidos de que nunca pasarían y, por lo tanto, dejaron de intentarlo.

Han pasado 100 años desde la hipótesis de la relatividad general. ¿Por qué no es esta parte del plan de estudios de la escuela primaria estándar?

La razón por la que no enseñamos hoy la Relatividad General en el plan de estudios de una escuela secundaria es que, aparte de las matemáticas de la Relatividad General, realmente NO entendemos la Relatividad aún hoy, más de 100 años después. Pero no confíe en mi palabra, a continuación hay un comentario sobre el tema de uno de los más grandes físicos del siglo pasado, Richard Feynman. Feynman, en su serie de conferencias destinadas al público en general, ni siquiera intenta discutir la Relatividad, sino que habla de la gravedad de Newton. El profesor Feynman concluye que “No existe un modelo de la teoría de la gravitación en la actualidad, aparte de la forma matemática”

La afirmación de Feynman se correlaciona con lo que otros han dicho en el hilo de Quaro en respuesta a esta pregunta, no enseñamos GR en la escuela secundaria porque no podemos enseñar GR como algo más que un proceso que requiere cálculo tensorial, porque la comprensión matemática de GR es La única comprensión real de GR que tenemos. El cálculo o, más particularmente, el cálculo tensorial, está más allá de la capacidad matemática de muchos estudiantes de secundaria.

Probablemente hayas visto la demostración de la hoja de goma y la bola de boliche de gravedad GR. La bola de boliche de goma se enseña en la escuela secundaria (o al menos la mayoría de los estudiantes de secundaria han visto una demostración). El problema con el modelo de lámina de goma es que es demasiado autorreferente para ser de mucho valor. En la demostración de la lámina de goma, ¿qué hace que la bola de bolos deforme la lámina de goma? El peso de la bola de bolos que empuja hacia abajo deforma la lámina de goma. Así que la lección es algo así como que la gravedad es muy parecida a … la gravedad. Entonces, si vamos a enseñar la gravedad GR en la escuela secundaria, necesitaremos un modelo mejor y más simple.

Extracto de la conferencia de Richard Feynman “El carácter de la ley física”

Me dirás: “Sí, nos has dicho lo que sucede, pero ¿qué es la gravedad? ¿De dónde viene? ¿Qué es? ¿Quieres decirme que un planeta mira al Sol, ve lo lejos que está, calcula el cuadrado inverso de la distancia y luego decide moverse de acuerdo con esa ley? “En otras palabras, aunque he establecido la ley matemática [de la gravedad], no he dado ninguna pista sobre el mecanismo. …

Pero hasta hoy, desde la época de Newton, nadie ha inventado otra descripción teórica de la maquinaria matemática detrás de esta ley [la ley de la gravedad] que tampoco dice lo mismo [como Newton] otra vez ni hace que las matemáticas sean más difíciles. , o predecir algunos fenómenos erróneos. Así que no hay un modelo de la teoría de la gravitación en la actualidad, aparte de la forma matemática.

El cálculo, una simple invención matemática de Newton, se introdujo en el plan de estudios de HIGH SCHOOL solo a principios del siglo XX. Hasta entonces, era algo en las universidades. Unos pocos siglos pasaron antes de que algo tan fácil se trajera a los niños de 12 años.

Así que puedes ver por qué será difícil introducir la Relatividad General. Es un concepto muy difícil, involucra algo llamado cálculo tensorial (que implica el uso de matrices que ni siquiera se estudian en la escuela secundaria) y, a diferencia de las preguntas de la escuela secundaria, estas tienen variables que no se pueden resolver fácilmente. Además, si crees que las matrices son fáciles, estás equivocado. No son fáciles de manipular ni de resolver.

Además, realmente necesita una fuerza básica y básica en el conocimiento de las transformaciones galileanas y la teoría electromagnética de la luz de Maxwell para darse cuenta de por qué surgió la teoría. Si bien las transformaciones de Galilea son fáciles de entender a una edad temprana, la teoría de la onda EM es seguramente un tema muy adecuado para las matemáticas de una universidad.

Como puede ver, la introducción de la Relatividad General a una edad tan temprana no solo es peligrosa para el futuro de la física, sino que también es repugnante.

Para poder entender la relatividad general, es necesario tener toda la física de fondo para entenderla, que generalmente abarca dos años de estudios de pregrado.

Para que la relatividad se enseñe en las escuelas secundarias, esas cosas también deberían enseñarse, y luego los estudiantes no aprenderán nada más que física, y por mucho que me guste la física, ¡eso es demasiado!

Además, las matemáticas involucradas son muy avanzadas: cálculo tensorial, etc.

La gran cantidad de conocimiento que necesita tener antes de poder aprender relatividad general significa que no es viable enseñar antes de especializarse en física.

LOS NIÑOS DE LA ESCUELA PRIMARIA HACEN MUCHAS PREGUNTAS

La relatividad general es. Gran teoría que nos dio el concepto de espacio-tiempo del cual no teníamos conocimiento antes del advenimiento de esta teoría.

Si nos dio el marco básico sobre el que se ha construido el futuro de la física.

Nos dio información útil sobre la estructura a gran escala del Universo, que estaba fuera del dominio de la Física Newtoniana.

A pesar de sus méritos, ni siquiera se puede presentar a los estudiantes de primaria, porque no podemos explicárselo simplemente a ellos.

Y luego las mentes inquisitivas de esos jóvenes genios nos bombardearán con tantas preguntas que no podremos responder a ninguna de ellas, y luego nos tranquilizaremos al concluir que son demasiado jóvenes para entender la Relatividad.

Pero en el fondo de nuestro corazón, nosotros, los adultos, no estamos completamente convencidos con la idea abstracta de la distorsión del espacio-tiempo. No podemos hacer que esos brillantes niños acepten simplemente que el espacio-tiempo está deformándose sin explicarles qué es el espacio y qué es el tiempo.

Así que esperamos que sean lo suficientemente maduros como para aceptar todo lo que se dice sin cuestionarlo.

Y esperaremos otros 1000 años para introducirlo a ese nivel si no vamos a concluir y estar de acuerdo con la definición de espacio y tiempo.

No es factible enseñar la Relatividad General a los estudiantes de la escuela primaria. No enseñamos cálculo a estudiantes de primaria. Hacer la Relatividad General con el cálculo de palabras es realmente difícil, especialmente cuando los maestros de escuela primaria no conocen la Relatividad General.

Ha habido un impulso en las últimas dos décadas para simplificar el tratamiento de la Relatividad General para que pueda enseñarse en la educación de pregrado. Esto ha sido bastante exitoso. Hay muchos libros geniales por ahí.

El siguiente impulso sería incorporar la Relatividad General a cursos introductorios de física. No estoy seguro de que esto sea así. Los cursos de física para estudiantes de primer año ya están llenos de material que se está enseñando de una manera que tiene una milla de ancho y una pulgada de profundidad, por lo que probablemente no se justifique. Además, la Relatividad General no es tan útil a nivel diario para la mayoría de los científicos e ingenieros.

Sin embargo, creo que probablemente será posible incluirlo en un curso de física introductoria de segundo semestre en algún momento en el futuro cercano. Antes de hacer esto, incorporaría más mecánica cuántica al currículum porque la mecánica cuántica se usa más en la ciencia del día a día.

Al contrario de algunas respuestas aquí, siento que la física puede enseñarse a los estudiantes de primaria. Podemos introducir experimentos simples e interesantes, preferiblemente aplicaciones diarias y explicarles que esto es la Física. No necesitamos entrar en la teoría del hardcore y las matemáticas.

La relatividad general es más difícil para los adultos ya que estamos condicionados por nuestra exposición al mundo práctico, mientras que una mente virgen e inocente podría comprenderlo más fácilmente. Algo así como aprender un idioma siempre es más fácil para un niño.

Debe ser parte del plan de estudios de la escuela primaria. Contrariamente a algunos puntos de vista, no es necesario tener un doctorado en matemáticas para comprender los conceptos básicos de la relatividad (y la mecánica cuántica). De Broglie cita a Einstein: ” que todas las teorías físicas, sus expresiones matemáticas separadas, deberían prestarse a una descripción tan simple” que incluso un niño podría entenderlas “. ”

Porque las ecuaciones diferenciales de segundo orden no suelen ser parte de un plan de estudios de la escuela primaria.

Erik Anson Me complace informarle que nos enseñaron un breve resumen sobre cosmología y relatividad general en nuestra universidad. Soy un estudiante de botánica de M.sc. Este fue nuestro curso adicional y lo disfrutamos mucho. Diferentes desde el mundo de las plantas y los genes hasta el cielo maravilloso y sus teorías relacionadas. Espero que todos los demás tengan suerte como yo y más universidades enseñen esto a sus estudiantes. ¡Es fascinante!

Es muy difícil aprender algo, lo que viola las normas del mundo que conocemos, es decir, el sentido común como lo llamamos.

También para comprenderlo se requiere una sólida formación, en ciencia, particularmente en física, solo para entender las implicaciones, olvídate de manejar las matemáticas.

Tal vez porque es demasiado difícil de entender.

La “relatividad especial”, la presentada en 1905, es más fácil de comprender porque el movimiento es constante.

La “relatividad general”, la presentada en 1915, involucraba la libre circulación de los cuerpos y una idea conceptual más difícil de entender.

Pero, tal vez, deberíamos enseñarle el plan de estudios elemental estándar, junto con los fotones, el modelo estándar del átomo, la teoría cuántica, etc.