Evidencia experimental
para la dilatación del tiempo
Se han llevado a cabo una serie de experimentos que parecen apoyar el principio de la Relatividad Especial (SR) de dilatación del tiempo. Aquí hay un choque entre la teoría y el experimento que debe resolverse. Un buen principio científico nos dice que la teoría siempre debe dar paso al experimento: o debemos modificar la teoría para adaptarla, o demostrar que el experimento es defectuoso.
Experimentos en dilatación del tiempo
- ¿Qué significa la edad del Universo cuando el tiempo absoluto no existe?
- ¿Envejecería lentamente si empiezo a correr a diario, de acuerdo con la teoría especial de la relatividad?
- ¿Cuál es más rápido, la velocidad de la luz o la aceleración de la expansión del universo?
- ¿Por qué la velocidad relativa es igual a la diferencia de velocidad entre dos objetos en la misma dirección?
- ¿Por qué los relojes atómicos en la Tierra no se ralentizan con respecto a los observadores que viajan en jets, mientras se observa lo contrario?
Existen varios experimentos que parecen apoyar la dilatación del tiempo SR. Son:
. Los relojes en satélites en órbita se mueven más despacio
. Los relojes atómicos en los aviones se mueven más despacio
. Experimento de Michelson-Morley
. Las partículas de muón se descomponen más lentamente mientras caen
También hay otros experimentos que suelen ser una variación de los anteriores. Discutiré cada uno de estos aquí.
Relojes en satélites GPS
Los satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se utilizan para ayudar a identificar una ubicación en la Tierra. El método de búsqueda de ubicación requiere que un satélite transmita una señal de tiempo a un receptor GPS que luego puede determinar su distancia desde el satélite midiendo el tiempo que tardó la señal en llegar al receptor. Los satélites contienen relojes atómicos precisos y se ha observado que estos relojes en órbita funcionan a una velocidad diferente a los relojes en la Tierra. Esto podría ser un gran problema para el GPS porque significa que los errores en las posiciones calculadas crecerían constantemente cada día.
Se dice que esta diferencia de tiempo se debe a una combinación de los efectos de SR, que predice que el tiempo se ralentizará a altas velocidades, y GR (Relatividad general) que dice que el tiempo debería moverse más rápidamente en la gravedad más baja de las grandes altitudes. GR predice que debería correr más rápido en 45,900 nanosegundos (ns) por día, mientras que SR predice una desaceleración de 7,200 ns. El resultado neto predicho de SR y GR es que el reloj del satélite debería correr más rápido en 38,700 ns por día, y esto corresponde estrechamente a lo que se mide [1].
Para compensar esta dilatación esperada, los ingenieros de GPS ajustan la frecuencia del reloj en los satélites antes de su lanzamiento, reduciéndolos en una cantidad fija de aproximadamente 38,500 nanosegundos por día, y esto resuelve el problema del cálculo del tiempo [2].
A primera vista, esto parece un buen argumento en apoyo de SR y GR. Sorprendentemente, sin embargo, no habría ninguna diferencia en la precisión del GPS si se consideraran o no los efectos relativistas. La razón de esto se explica en un capítulo separado:
GPS, relatividad y mitología de la ciencia pop (<- haga clic para leer)
Sin embargo, el hecho de que los relojes GPS no ajustados funcionen más rápido en una cantidad pronosticada por la teoría de la relatividad es bastante impresionante y debe estudiarse más de cerca. Trataré más sobre este tema en un capítulo posterior sobre Relatividad general.
Relojes atómicos en aviones
Los relojes atómicos son los relojes más precisos conocidos por el hombre. Se ha dicho que si un reloj atómico, como un reloj de cesio, se hiciera volar en un avión, esos relojes deberían moverse a una velocidad diferente en relación con los de la Tierra, y que la desaceleración podría atribuirse a diferencias tanto en GR , que predice que los relojes deberían ir más rápido a menor gravedad, y SR, que predice que los relojes deberían moverse más despacio debido a la velocidad de los aviones.
En 1971 Hafele & Keating (H&K) realizó pruebas para medir los efectos de la relatividad en los relojes de cesio en los aviones. Los aviones volaron en dirección este y oeste a lo largo del ecuador, haciendo un viaje alrededor del mundo a su punto de partida. H&K calculó que, debido a los efectos combinados de SR y GR, los diferentes tiempos de viaje este / oeste y las diferentes altitudes, el este debería perder 40 ns y el oeste debería ganar 275 ns. Los resultados medidos mostraron que el este perdió 59 ns, mientras que el reloj atómico transportado hacia el oeste ganó 273 ns, en comparación con los relojes de laboratorio estacionarios.
Cosas impresionantes, ¿sí? Talvez no…
Más tarde se supo que los resultados publicados eran bastante diferentes de las mediciones originales. H&K realizó una serie de “correcciones” a sus datos para promediar los errores entre los relojes utilizados, y las variaciones entre los relojes que se mueven en direcciones similares fueron lo suficientemente grandes como para invalidar las mediciones generales. Una discusión de los resultados está aquí [3]. Si los experimentos fueron tan defectuosos como sugiere este artículo, entonces no se pueden usar para probar o refutar la dilatación del tiempo.
Experimento de Michelson-Morley
El experimento de Michelson-Morley (MM) se realizó en 1887 para determinar la existencia de ‘éter / éter luminífero’, que se cree que es el medio que permite la propagación de ondas de luz. El experimento consistió en comparar la velocidad de la luz a lo largo de diferentes direcciones observando patrones de interferencia en haces coherentes [4]. El experimento propuso que si hubiera un éter, entonces la velocidad de la luz debería ser diferente en diferentes direcciones, porque la Tierra debe estar en constante movimiento contra el éter mientras orbita alrededor del Sol, y esto cambiaría la velocidad de la luz en el transporte medio.
Los primeros resultados de MM indicaron que la velocidad de la luz parecía ser la misma en todas las direcciones, y esto implicaba que no se necesitaba éter para la propagación de la luz. Experimentos posteriores han reproducido esto con una gran precisión de 1 en 10
dieciséis
[6] Según los defensores de la SR [5], este resultado demuestra que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores (objetivos) y, por lo tanto, reivindica la hipótesis de la dilatación del tiempo.
Pero el experimento no necesariamente prueba eso. Todos los componentes (espejos y divisores de haz) son estacionarios en relación con la fuente de luz y entre sí. Por lo tanto, se podría argumentar igualmente que el aparato muestra que la velocidad de la luz es constante en relación con su fuente .
Para hacer una analogía, supongamos que se está jugando un juego de billar a bordo de un tren en movimiento. Como sabemos, la velocidad del tren se agregará a la pelota cuando se golpee en la misma dirección en que se mueve el tren, y se restará cuando se golpee en la otra. Cuando se golpea sobre la mesa, la velocidad tangencial (lateral) de la pelota será la del tren y la mesa, lo que le permite golpear directamente el lado opuesto. Como resultado, el juego se juega de la misma manera, independientemente de la velocidad constante del tren. Ahora reemplace el tren con Tierra, la pelota con fotones, los bordes de la mesa con espejos, y tendrá algo así como un interferómetro MM.
Aparte de eso, el experimento MM contiene una falla grave porque se realizó, no en el vacío, sino en el aire. Muchos científicos en ese momento no estaban satisfechos con el “resultado nulo” del experimento y comenzaron un debate sobre si la gravedad de la Tierra arrastraba un éter. Bueno, independientemente de si lo es o no, la Tierra ciertamente lleva una atmósfera con ella, y nuestra atmósfera es mucho más densa que cualquier éter asumido. Ahora sabemos que la luz viaja a través de un medio refractivo a una velocidad más lenta, y esta velocidad se mide / describe en relación con el medio. Entonces, ya sea o no, se debe esperar un ‘resultado nulo’.
La misma limitación parece estar presente en los experimentos de seguimiento, ya que se realizaron en el aire o en algún otro medio. Una repetición de 1930 de George Joos tenía brazos de interferómetro hechos de cuarzo. Esto es peor porque el índice de refracción del cuarzo es mucho más alto que el aire. En 1969, Shamir y Fox los hicieron de plexiglás.
La repetición más moderna es del equipo de Schiller. Allí usaron zafiro súper enfriado como medio [6]. El zafiro tiene un índice de refracción de alrededor de 1.6 a 1.9, dependiendo de la longitud de onda (que no está claro en el artículo). Pero independientemente, la luz se movería a través de ella a una velocidad fija en relación con ese medio. Esto hace que el experimento no tenga sentido en cuanto a probar o refutar un éter.
Decadencia de muón
Los muones son partículas subatómicas generadas cuando los rayos cósmicos golpean los niveles superiores de nuestra atmósfera. Tienen una vida media de aproximadamente 2.2 microsegundos (µs), lo que significa que cada 2.2 µs, su población se reducirá a la mitad. Al observar la concentración de muones tanto en la cima como en el fondo de una montaña, podemos ver qué proporción de ellos ha decaído y comparar este resultado con las predicciones de SR. Esto se puede hacer usando contadores especiales que solo cuentan muones que viajan dentro de un cierto rango de velocidad, por ejemplo, de 0.9950 ca 0.9954 c .
Cuando se realizó un experimento, la diferencia de altura fue de 1.9 km entre la cima y el fondo de la montaña. Volar 1.9 km a través de la atmósfera a la velocidad anterior requiere aproximadamente 6.4 µs. En base a la vida media establecida, deberíamos esperar que solo llegue el 13% de la concentración original de muones. Sin embargo, se observa que aproximadamente el 82% de los muones llegan por debajo. Este porcentaje corresponde a una vida media de 22 µs, es decir, diez veces mayor que el original. Un factor de diez corresponde a lo que daría el LT para una velocidad de 0.995 c [7].
Este experimento se ha repetido para diferentes velocidades y en muchas ocasiones (incluso por estudiantes [8]) y presumiblemente los errores de medición estaban dentro de la tolerancia. Entonces, el experimento parece validar correctamente SR.
¿Podría haber otra explicación para las tasas de descomposición más bajas? Eso creo. Puede haber un problema fundamental con el experimento en forma de una suposición no válida. El razonamiento es demasiado profundo para entrar aquí, pero lo discuto en un capítulo posterior.
Conclusión
Evaluar los datos experimentales es difícil porque requiere aceptar que los resultados publicados de los experimentadores son correctos y que sus suposiciones son válidas. Por un lado, parece haber algunas interpretaciones erróneas de los resultados experimentales (como con MM) y la falsificación de cifras (como con H&K). Por otro lado, los experimentos de desintegración muónica parecen convincentes si no se puede encontrar una explicación alternativa para los resultados.
Un equipo de científicos podría anunciar mañana que han medido la dilatación del tiempo entre un reloj estacionario y en movimiento y han igualado la predicción de SR a diez dígitos significativos. Si los resultados fueran precisos, tendríamos que aceptarlos. Sin embargo, también deberíamos hacer esta pregunta: “¿Por qué los relojes están etiquetados como ‘móviles’ y ‘estacionarios’, y no al revés? Porque supuestamente no hay velocidades absolutas en el universo “.
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Error_analysis_for_the_Global_Position_System
[2] Ver referencia [1]: los relojes están configurados para funcionar a 10,22999999543 MHz en lugar de 10,23 MHz. Si se deja en la tierra, esto haría que corrieran más despacio en 38,640 ns por día.
[3] http://astrojan.hostei.com/hafel…
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Mic…
[5] Por ejemplo, Hawking: una breve historia del tiempo, página 31
[6] http://physicsworld.com/cws/arti…, http: //arxiv.org/pdf/physics/0305117v1.pdf
[7] http://www.motionmountain.net/download.html (volumen II, página 45)
[8] http://cerncourier.com/main/arti…
