¿Cuál es la razón fundamental de que la velocidad de la luz sea constante en todos los marcos de referencia?

En un sentido clásico, todas las ondas tienen la propiedad de que su velocidad es una constante en cualquier medio dado, porque la velocidad depende solo de las propiedades de ese medio, y no de las propiedades de la onda en particular (como su energía, frecuencia o longitud de onda) o las propiedades del emisor.

Por ejemplo, la velocidad de una onda de sonido no depende de la velocidad del objeto que la emite; solo cambiará la frecuencia y la longitud de onda (conocido como efecto Doppler). Tan pronto como lanzas una ola, pierdes el control sobre qué tan rápido se propaga. Eso está determinado enteramente por el medio; todo lo que puedes hacer es arrancar la cuerda y luego dejarla ir. En el caso de la luz, el medio es el vacío; así que la velocidad de la luz depende solo de las propiedades del vacío, es decir, la permitividad y permeabilidad del vacío.

Por el contrario, puedes determinar la velocidad de una pelota por la cantidad de energía que le das. Es decir, la velocidad de la pelota depende de cuánta energía tiene, pero la velocidad de una ola no depende de cuánta energía tiene. Esa es la diferencia esencial.

En un sentido mecánico cuántico, todo es una ola, incluso el béisbol. Entonces, ¿cómo puede viajar el béisbol a cualquier velocidad que no sea la única velocidad dictada por el medio a través del cual viajan las olas? La respuesta es que la aparición de velocidades distintas de la velocidad de onda verdadera es el resultado de paquetes de ondas, que son los patrones de interferencia de muchas ondas que viajan individualmente a la velocidad única prescrita.

http://en.wikipedia.org/wiki/Wav …

Una analogía a esto es cómo la luz se ralentiza cuando ingresa a un material con un índice de refracción mayor que 1. El material produce nuevas ondas, que cuando se agrega a la onda original, produce un patrón de interferencia combinado que es equivalente a una onda que viaja más despacio. Sin embargo, cada una de las ondas que componen el patrón en realidad viaja a la velocidad de la luz en el vacío. Ver: ¿Por qué la luz se ralentiza a medida que atraviesa el vidrio?

Entonces, una pelota de béisbol es realmente una combinación de muchas olas, cada una de las cuales viaja a una velocidad dictada solo por el medio del vacío, pero se combina para producir un patrón de interferencia local que viaja a través del espacio a otra velocidad arbitraria, al igual que la luz viaja más lentamente a través de un material con un índice de refracción superior a 1.

En este sentido, la luz y las pelotas de béisbol se comportan de la misma manera. En realidad, ambos viajan solo a una velocidad constante, pero la interferencia puede dar la apariencia de diferentes velocidades en ambos casos.

Actualmente, la razón fundamental de la constancia de c (la velocidad de la luz en el vacío) no se debe a que sea un postulado de la relatividad ni a que se confirme experimentalmente. La razón fundamental es que ahora definimos la distancia en términos de la velocidad de la luz y el tiempo, de modo que c se fija por definición para tener un valor exacto para todos los observadores [ver NIST]. Esto hace que sea imposible que cualquier observador mida correctamente la velocidad de la luz en el vacío, que no sea la constante fija c .

Esta explicación de la constancia de c puede parecer insatisfactoria al principio (o incluso un truco), pero en realidad es más consistente con la relatividad que (incorrectamente) ver el espacio y el tiempo como independientes, y luego tratar de explicar por qué c es constante. En cambio, esto pone todo de cabeza al definir el espacio y el tiempo de manera que c sea ​​necesariamente constante, y hace que las explicaciones empíricas o teóricas anteriores sean obsoletas.

Históricamente, por supuesto, redefinimos el espacio y el tiempo porque la teoría de la relatividad y su confirmación empírica sugirieron que sería más parsimonioso tomar la velocidad de la luz como una constante fija para todos los observadores, por definición, y definir la longitud en términos de la velocidad de la luz y la definición del tiempo. Una vez hecho esto (en 1983), la constancia de la velocidad de la luz se convirtió en un axioma no empírico de la ciencia empírica en lugar de una cantidad física medible, y su valor para todos los observadores es fijo, sin incertidumbre.

Esta pregunta ha estado en Quora muchas veces, no es graciosa. Y a pesar de que lo había respondido aquí en mayo de 2015, ¡solo me pidieron que lo respondiera nuevamente (25/10/2017)! Desearía que Quora tuviera una manera de evitar la duplicación. De todos modos, aquí hay una edición de mi respuesta original, como de costumbre, copiada y pegada de mi libro. Si todos aquellos con preguntas sobre física leyeran mi libro (haga clic aquí), estas preguntas ni siquiera se harían. Después de describir el experimento de Michelson-Morley que mostró la constancia de la velocidad de la luz, escribí:

Fue sorprendente que la velocidad de la luz fuera independiente del movimiento. Einstein incluso sintió la necesidad de convertirlo en un postulado separado:

“la luz siempre se propaga en el espacio vacío con una velocidad definida que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor”, y agrega que esto es “aparentemente irreconciliable con el [Principio de Relatividad]”.

El lector debe detenerse para apreciar cuán extraña es esta afirmación. No tiene sentido que un rayo de luz, o cualquier otra cosa, viaje a la misma velocidad independientemente del movimiento del observador. Supongamos, por ejemplo, que está observando un tren muy rápido desde otro tren. La velocidad aparente del tren rápido dependería claramente de su dirección en relación con la suya. Si el otro tren se mueve en la dirección opuesta, pasaría silbando, pero si se mueve en la misma dirección, pasaría muy lentamente. Sin embargo, Michelson, un pasajero en un tren llamado tierra, descubrió que otro tren llamado luz siempre se mueve a la misma velocidad sin importar en qué dirección se mueva la tierra.

Si el experimento MM se hubiera realizado solo una vez, no habría habido ningún problema. Podríamos haber dicho simplemente que este es el marco de referencia en el que se mantienen las leyes de la física, en el que se aplican las ecuaciones de Maxwell y la luz viaja con velocidad c . Pero el resultado fue siempre el mismo, independientemente del movimiento de la tierra. No es posible que la luz viaje con la misma velocidad en todos estos marcos de referencia a menos que esté sucediendo “algo gracioso”.

El “algo divertido” resultó ser aún más sorprendente que el resultado MM en sí: ¡los objetos se contraen cuando se mueven! Más específicamente, se contraen en la dirección del movimiento. Piénsalo. Si la longitud del camino del aparato de Michelson en la dirección hacia adelante se contrae en la misma cantidad que la distancia adicional que el haz de luz tendría que viajar debido al movimiento, los dos efectos se cancelarían. De hecho, esta es la única forma en que se podría explicar el nulo resultado de Michelson. La idea de la contracción fue sugerida por primera vez por un físico irlandés relativamente desconocido.

George Francis Fitz Gerald 1851-1901 . FitzGerald expresó su idea en una breve comunicación a la revista estadounidense Science en 1891, diez años después del primer resultado informado de Michelson. También sugirió una razón.

Sugeriría que casi la única hipótesis que puede conciliar este [conflicto] es que la longitud de los cuerpos materiales cambia, según se mueven a través del éter o a través de él, en una cantidad que depende del cuadrado de la razón de sus velocidades a el de la luz Sabemos que las fuerzas eléctricas se ven afectadas por el movimiento de los cuerpos electrificados en relación con el éter, y parece una suposición no improbable que las fuerzas moleculares se vean afectadas por el movimiento, y que el tamaño de un cuerpo se altera en consecuencia. – GF FitzGerald

Si bien FitzGerald se refirió al éter, que se creía que era el portador de las ondas de luz en ese momento, el razonamiento se mantiene con o sin el éter.

Luego paso a describir el trabajo de Lorentz que dio una base teórica (basada en campos) para la especulación de FitzGerald.

Intentaré presentar una forma intuitiva, aunque quizás no demasiado rigurosa, de ver esto, utilizando la descripción de onda de la luz (que en última instancia es insuficiente, pero funcionará bien en este contexto).

Haz una ola en el agua. ¿Puedes influenciar su velocidad de alguna manera? Imagínelo, ¿cómo se haría? Recuerde que el agua ondulante es simplemente agua que se mueve principalmente hacia arriba y hacia abajo; el movimiento real a lo largo de la onda promedia a cero en ondas de base media. Observe también que el movimiento ocurre cíclicamente a una frecuencia que es decidida por el medio; agua en este caso. ¿Cómo podrías cambiar la velocidad de la ola?

Imagen prestada de: Dr. Jerry Skinner

Bueno, podrías viajar lejos o hacia la ola, cambiando así su velocidad aparente. ¿Derecho? Pero espere, las partes de la ola que se mueven tienen una velocidad promedio cero en relación con su movimiento, por lo que la ola no necesariamente cambia la velocidad en relación con usted. Lo único que cambia es la frecuencia y la energía de la onda, desde su perspectiva. Entrar en una ola a alta velocidad hará que parezca más enérgico, por ejemplo, chocar contra una ola a alta velocidad es más contundente que hacerlo a bajas velocidades. En este contexto, vemos que la energía está muy intrincadamente conectada a la frecuencia de la onda, ya que también pasaremos sus crestas y valles más rápido.

La luz vista como una onda se comporta de manera análoga. El “medio” para la ola puede considerarse como varias cosas diferentes. Sin embargo, para ser justos, la idea habitual es decir que no se agita “en” algo, solo tiene componentes ondulados. Sin embargo, digamos que se está agitando en el campo de fotones, comúnmente llamado campo electromagnético, para facilitarnos las cosas.

El movimiento real es nuevamente perpendicular a la dirección en la que viaja, incluso más que para las ondas de base media. Cualquier onda de este tipo viajará a la velocidad dictada por el “medio”, el campo de fotones en este caso, no qué tan rápido o lento vaya. Viajar lejos o hacia él cambiará su frecuencia y, por lo tanto, su energía; se vuelve azul o rojo desplazado. Ese es solo nuestro enfoque basado en los ojos para decir que nos encontramos con más o menos crestas y valles por unidad de tiempo.

Imagen tomada de: Rooks Heath College [matemáticas]. [/ Matemáticas]

Aseado, ¿eh? Ahora, si quieres hacer física, probablemente tengas que olvidarte de la mayoría de esto. Sin embargo, la intuición utilizada aquí debería ser suficiente para los no físicos. Lamentablemente, no puedo decir cuán lejos de la verdad está esta idea, cuando se mira con más rigor.

Porque es.
Lamento ser tan directo, pero en realidad no es mucho más profundo que eso. La prueba final de cualquier idea física es si está de acuerdo con la observación, y este es uno de los fenómenos más cuidadosamente observados y mejor confirmados en el Universo. Específicamente, es una idea fundamental de la física (y confirmada experimentalmente) que no hay “marcos de referencia” privilegiados: todo el movimiento es relativo. Usted ha experimentado esto personalmente: cuando viaja en un automóvil, moviéndose a decenas de metros por segundo con respecto al mundo que lo rodea, se siente como si estuviera inmóvil. De hecho, mientras te sientas en tu computadora leyendo esto ahora, te consideras inmóvil, pero de hecho te estás moviendo a aproximadamente 400 m / s con respecto al centro de la tierra, y 30,000 m / s con respecto al sol. Sin embargo, el punto de vista de que usted es estacionario y que el mundo se está moviendo es válido. Como dijo Galileo: “dos observadores que se mueven a una velocidad y dirección constantes entre sí obtendrán los mismos resultados para todos los experimentos mecánicos”. No puede ejecutar un experimento que demuestre que se está moviendo.
Una consecuencia del Principio de Galileo es que las velocidades específicas no pueden aparecer en una ley física, ya que todas las velocidades deben medirse en un marco de referencia. Sin embargo, en la década de 1860, Maxwell formuló la teoría electromagnética, que tuvo un éxito espectacular. Explicó todos los resultados experimentales vistos hasta ese momento, y predijo nuevos fenómenos; estos fueron confirmados rápidamente por el experimento (la radio, por ejemplo, fue una de las predicciones, como lo fue la generación de energía eléctrica). También predijo que la luz debe viajar a una velocidad constante y específica, una clara violación del Principio de Galileo. Esto significaba que había un marco de referencia preferido para el Universo, a través del cual se propagaba la luz. También se deduce que la tierra debe moverse a través de ese medio, por lo que la luz viajaría a diferentes velocidades en diferentes direcciones medidas desde la tierra (de la misma manera que una pelota de béisbol se moverá más rápido si se lanza hacia adelante desde un automóvil que se mueve a través de una aspiradora de lo que será si se tira hacia atrás).
Entonces, un par de tipos llamados Michelson y Morley se propusieron medir este efecto y ver cómo variaba la velocidad de la luz. Esto mostraría el movimiento de la tierra a través del marco de referencia preferido, llamado “el éter”. Durante varios años, con un procedimiento experimental increíblemente preciso y cuidadoso, no midieron ningún movimiento. Entonces, la conclusión fue que la Tierra * era * el marco de referencia preferido del Universo (muy, muy, muy, muy poco probable) O la velocidad de la luz tenía que ser la misma en todos los marcos de referencia, y era una constante. Por supuesto, esto último era cierto; un tipo llamado Einstein lo formuló cuidadosamente en 1905.
Hay una variedad de consecuencias de eso, de las que quizás haya oído hablar: la contracción del tiempo y el espacio para los observadores en movimiento (esencialmente, la noción de tiempo y espacio absolutos se reemplaza con la constancia de la velocidad de la luz) y la convertibilidad de masa-energía . Lo más importante es que el espacio y el tiempo son convertibles, de la misma manera que lo son la energía y la masa, o que la energía y el tiempo son (Ley de Planck). Estas constantes físicas (c, h, etc.) realmente están dadas por el sistema de unidades que usamos. No hay nada mágico sobre el segundo o el medidor. A menudo encontrará discusiones físicas establecidas en “unidades físicas” donde todas las constantes se establecen en 1. En unidades físicas, todo se da en unidades de longitud (o longitud ^ 2, que es área, o volumen, longitud ^ 3, etc.) .

No piense en ello como “la velocidad de la luz”, eso puede crear confusión.

Piense en ello como la “constante de propagación de información” y será más fácil.

La información sobre un evento en el espacio-tiempo no llega inmediatamente al otro lado del universo. Si ese fuera el caso, sería un desastre (no voy a ampliar esto aquí, pero créanme).

La información sobre un evento, digamos, usted mismo haciendo algo “aquí y ahora”, se extiende lejos de “usted aquí y ahora” y hacia el futuro, formando lo que se llama su “cono de luz futuro”. Esto define los puntos en el espacio-tiempo donde llegará la información sobre lo que hiciste, dónde y cuándo recibirán información sobre lo que hiciste.

La información sobre lo que haces se propaga hacia el universo a una velocidad determinada, y esa es la velocidad máxima posible, nada puede difundirse más rápido que la información. Eso es por definición. Si algo sobre lo que hiciste pudiera extenderse más rápido hacia el universo, eso sería algún tipo de información sobre lo que hiciste también, y esa sería la nueva tasa de propagación de información más rápida.

Es sensato que la propagación de la información sobre algún evento sea constante en todas partes y en todas las condiciones. Sería bastante extraño si, debido a que te estás moviendo o saltando o lo que sea, la información de lo que estás haciendo se debe extender hacia el futuro a un ritmo diferente. No importa dónde esté o cómo se mueva o lo que esté haciendo, haga lo que haga, la información al respecto se difundirá de esta manera, como un cono de luz futuro, desde su “aquí y ahora” hacia el futuro de una vez tasa constante.

La luz en el vacío simplemente se propaga a esta misma velocidad, porque no tiene nada que la ralentice, por lo que se propaga a la velocidad máxima posible. Entonces lo llamamos “la velocidad de la luz”, pero en realidad es la “constante de propagación de información”.

La respuesta más simple a esto podría no ser muy satisfactoria, pero, según veo, esta es una de estas preguntas con la respuesta “porque las leyes de la física lo dicen”.

Si comienza con las ecuaciones de Maxwell, que son el conjunto de ecuaciones que describen cómo los campos eléctricos y magnéticos están relacionados entre sí y se cargan, verá que estos están acoplados, es decir, el campo eléctrico se describe por el cambio del campo magnético y viceversa. Es posible desacoplar estas ecuaciones. Cuando haces esto con cualquiera de los campos (en el vacío), terminas con una ecuación de onda para el campo, que en física es un tipo de ecuación bien conocido. De esto obtienes la velocidad de propagación, en este caso solo la velocidad de la luz. Entonces, en esencia, se podría decir que la luz se mueve a esta velocidad, porque si resuelve las ecuaciones necesarias, terminará con esta respuesta.

Ahora viene la parte con relatividad especial. Ya a fines del siglo XIX sabían que la luz debería moverse a esta velocidad, pero en este punto ustedes operaban con la relatividad galileana. Esto es solo que si te mueves con cierta velocidad v_1 en relación con algo estacionario (el suelo tal vez) y otro objeto que se mueve en la misma dirección se mueve con velocidad v_2 en relación con este punto de referencia, entonces tu velocidad en relación con este otro objeto sería v_1 -v_2. La suposición aquí es que puede definir un marco de referencia absoluto al que todo se mueve en relación.

Sin embargo, algo extraño sucede, la gente se dio cuenta. Si observa la luz de algo que se aleja de usted, pensaría que debería moverse más lentamente. Si el objeto se moviera hacia ti, pensarías que la luz que viene hacia ti se movería más rápido. En realidad esto no sucede. También obtienes algunos acertijos extraños que hacen que las ecuaciones de Maxwell se rompan si persigues la idea de un marco de referencia absoluto.

La solución de Einsteins a este problema fue decir que en lugar de tener un marco de referencia absoluto (el espacio es constante, por así decirlo. También es el momento), el único absoluto debería ser la luz moviéndose a la velocidad ‘c’, sin importar qué marco de referencia que estamos observando desde. Esto tiene algunas consecuencias realmente extrañas, a saber, que el espacio y el tiempo cambian dependiendo de su marco de referencia, de manera que la luz siempre se mueva en c. En el lado positivo: ahora las ecuaciones de Maxwell (y otras leyes de la física) se comportan como deberían, sin importar desde dónde las veas.

En resumen: la velocidad de la luz es fija porque hace que las leyes de la física se comporten bien sin importar cómo te muevas en relación con cualquier marco de referencia .
O, más precisamente, la relatividad especial hace que las leyes de la física sean invariables bajo la transformación de Lorentz (en realidad, el primero de los postulados de la relatividad especial de Einsteins. El otro es c = constante en cualquier marco de referencia).

Lo siento si esta respuesta fue un poco complicada a veces. Espero que haya ayudado. Solo pregunta si necesitas algo aclarado.

Y una pequeña edición: otra respuesta vinculada a artículos sobre la velocidad de la luz que no es constante. Este tipo de afirmaciones siempre deben tomarse con un grano de sal. También hubo un artículo sobre la luz “estructurada” que es más lenta que la luz normal. Esto no es una ruptura de la relatividad especial, solo este tipo específico de luz es realmente funky.

No hay ninguna prueba Las cosas en la ciencia no tienen pruebas en el sentido matemático, aunque algunos de los argumentos sí.

Sin embargo, hay dos pruebas bastante grandes. Pero primero, considere lo que significa que la velocidad sea constante con respecto a todos los marcos de referencia. Lo que significa es que, suponiendo el principio de la relatividad, es independiente de la velocidad de la fuente e independiente de la velocidad del observador.

Si dependiera de ambos, entonces sería relativo en el sentido galileo, pero la velocidad variaría. Esto es cierto para una pelota lanzada, por ejemplo.

La primera pieza de evidencia fueron las ecuaciones de Maxwell. Trabajaron maravillosamente. Sin embargo, predijeron que algo se dispararía a la velocidad de la luz, pero esta velocidad no dependía de la velocidad de la fuente. La gente trató de agregar términos y factores para hacer que las ecuaciones de Maxwell dependieran de la velocidad de la fuente, pero predijeron los efectos que no ocurrieron.

Aún así, la gente pensaba que debía depender de la velocidad del observador. Porque si algo va bien y corres hacia él, lo percibirás más rápido, ¿verdad? Como golpear un insecto de movimiento lento con el parabrisas de un automóvil. Hay cosas como esta, y se llaman ondas. La velocidad de propagación de una ola en, por ejemplo, el agua, no depende de la velocidad de la fuente de la ola. Depende de la velocidad del observador, como un barco, por ejemplo.

Si la luz fuera una onda a través de un medio, que habría sido llamado el Eter luminífero, entonces debería ser posible medir la velocidad de la Tierra a través de ese medio. Michelson y Morley intentaron el experimento, y no dio el resultado esperado. A medida que los métodos experimentales fueron mejorando, quedó claro que la velocidad de la luz tampoco dependía de la velocidad del observador.

Entonces, la velocidad de la luz debe ser constante en relación con la velocidad del observador. La velocidad no necesita ser constante, pero al menos no puede cambiar moviendo la fuente o el observador. Eso es todo lo que realmente se necesitaba para que Einstein se ocupara.

Como resultado, la velocidad de la luz realmente siempre es c, localmente, pero para demostrar eso, debes entrar en la electrodinámica cuántica, que no se resolvió hasta mucho más tarde. La aparente desaceleración de la luz en un medio solo es aparente y tiene que ver con las interacciones entre la luz y las cosas en el medio. Todavía puedes hacer el límite de velocidad mientras esquías, pero un slalom te hará tomar más tiempo para descender de lo que esperarías con un cálculo lineal.

No se conoce la razón, es axiomático para la teoría. ¡Si lo descubres, déjame saber!

Uno podría esperar en una teoría unificada de la gravedad cuántica, que la razón de que sea constante podría deberse a alguna propiedad matemática más profunda de dicha teoría, sin embargo, el valor que toma es solo una convención cuando definimos unidades de distancia y tiempo. Puede reformular ecuaciones físicas de unidades SI a una donde c = 1 con bastante facilidad.

Debo agregar que parece posible derivar la constancia de la velocidad de la luz solo del principio de relatividad, sin embargo, esto no cambia la esencia de la pregunta porque terminas teniendo que hacer una pregunta similar: “¿Cuál es la razón fundamental de las leyes? de la física son invariables para cualquier marco inercial? “, o algo así, que tiene la misma respuesta dada anteriormente.

Francamente, el principio ya es bastante fundamental, entonces, ¿por qué necesita una razón fundamental “más” de la que sin duda hace la misma pregunta? En este punto es “Tortugas hasta el fondo”

Según la teoría electromagnética de Maxwell, la velocidad de la luz en el vacío es c (= 3 × 10 ^ 8 m / s) en todas las direcciones. Pero en qué marco de referencia en relación con qué velocidad de la luz es constante c en todas las direcciones.

Entonces, de acuerdo con la transformación galileana, la velocidad de la luz en cualquier otro marco inercial, que esté en movimiento relativo con respecto al primero, estará en diferentes direcciones. Por ejemplo, si un observador se mueve a una velocidad v opuesta a la dirección o propagación de la luz, la velocidad de la luz en ese marco de referencia viene dada por

c ‘= c – v

Por lo tanto, se preferirá dicho marco de referencia, en el que la velocidad de la luz permanece c , o el marco de referencia absoluto. En ese momento, se cree que tiene un marco de referencia fijo de éter en el que la luz viaja con velocidad c en todas las direcciones.

El experimento de Michelson-Morley se realizó para determinar la velocidad de la tierra con respecto a este marco para poder conocer el efecto del movimiento de los observadores sobre la velocidad de la luz. Pero los resultados negativos de este experimento descartan la idea de cualquier marco de referencia o éter “privilegiado” y sugieren que la velocidad de la luz es constante en el vacío en todo marco inercial.

Einstein en su teoría especial de la relatividad utiliza el hecho anterior como un postulado. Las modificaciones de Einstein de la mecánica newtoniana son válidas incluso para las velocidades de partículas que se aproximan a la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz obtiene su valor a través de las famosas ecuaciones de Maxwell. A partir de sus ecuaciones, fue posible calcular que el campo electromagnético resultante viaja a una velocidad constante en relación con todos los observadores. Fue cuando Maxwell se dio cuenta de que esta constante era la misma velocidad a la que se sabía que viajaba la luz.

“No importa en qué marco de referencia se sienta un observador cada vez que mide la velocidad de la luz, parece que obtiene el mismo valor”.

~ Madhur

Supongo que la pregunta se refiere a la velocidad de vacío de la luz. Y para que no lo olvidemos, la velocidad de la luz es realmente solo un factor de conversión que nos permite reemplazar unidades de longitud con unidades de tiempo o viceversa. Entonces, ¿por qué este factor de conversión es el mismo en todas partes?

Tenga paciencia conmigo pero necesito mostrar un poco de matemática. En relatividad general, a menudo hablamos del llamado elemento lineal, una “distancia” infinitesimal en el espacio-tiempo que relaciona dos eventos. Para simplificar, usaré dos dimensiones: [matemáticas] t [/ matemáticas] para el tiempo y [matemáticas] x [/ matemáticas] para el espacio. Si dos eventos (infinitamente cercanos) están separados por [math] dt [/ math] en el tiempo y [math] dx [/ math] en el espacio, este elemento de línea estará dado por [math] ds ^ 2 = g_ {tt} c ^ 2dt ^ 2 + 2g_ {tx} c ~ dt ~ dx + g_ {xx} dx ^ 2 [/ matemática]. Los números [math] g_ {tt} [/ math], [math] g_ {tx} [/ math] y [math] g_ {xx} [/ math] son ​​componentes del llamado tensor métrico, que es el Objeto fundamental que determina la geometría del espacio-tiempo en la relatividad general.

¿Por qué necesitas saber esto? Porque tengo la libertad de cambiar la definición de estas cantidades [matemáticas] g [/ matemáticas]. Si hago [matemáticas] g ‘_ {tt} = c ^ 2g_ {tt} [/ matemáticas] y [matemáticas] g’ _ {tx} = cg_ {tx} [/ matemáticas], obtengo [matemáticas] ds ^ 2 = g ‘_ {tt} dt ^ 2 + 2g’ _ {tx} dt ~ dx + g_ {xx} dx ^ 2 [/ matemáticas]. Y con esta nueva métrica, la velocidad de la luz acaba de desaparecer. Se ha absorbido en la métrica. Reemplacé la velocidad de la luz (y cualquier variabilidad en la velocidad de la luz) con geometría. Y la nueva métrica resultante aún tiene que obedecer las mismas ecuaciones estándar de gravedad.

Entonces, una velocidad variable de la luz y un campo gravitacional es idéntico a una velocidad constante de la luz y otro campo gravitacional. Por lo tanto, no tiene sentido preocuparse por una velocidad variable de la luz; Cualquier fenómeno real y observable causado por él es indistinguible de ciertos efectos de la gravedad. Sin embargo, la gravedad es un conjunto de fenómenos mucho más rico (en cuatro dimensiones, el tensor métrico tiene diez componentes independientes, mientras que la velocidad de la luz es solo un número), por lo que variar la velocidad de la luz no reemplaza a la gravedad. Pero tampoco agrega nada nuevo a la gravedad. Así que también podría mantener constante la velocidad de la luz (lo que equivale a la convención de que uso la misma relación para relacionar unidades de tiempo y longitud en todas partes) y dejar que la gravedad explique los cambios aparentes en la geometría que veo.

Por lo tanto, una teoría “ingenua” de velocidad variable de la luz no tiene sentido. Pero la gente todavía crea teorías que predicen una velocidad variable de la luz. ¿Cómo? Bueno, la respuesta es que en estas teorías, la velocidad de la luz es más que solo un número. Se convierte en un campo dinámico. Lo que esto significa es que una velocidad variable de la luz ya no equivale a un factor de conversión variable entre unidades de longitud y tiempo. Los cambios en la velocidad de la luz en estas teorías también transportan energía e impulso, al igual que los cambios en el campo electromagnético, por ejemplo, transportan energía e impulso (en forma de luz / calor / ondas de radio / etc.) Esto ya no puede ser transformado por ingeniosos trucos de geometría. Dichas teorías de la velocidad de la luz variable (VSL) se han utilizado, por ejemplo, para explicar la evolución temprana del universo sin recurrir a la inflación cósmica. Queda por ver si estas teorías son correctas o no; Tendrán que producir predicciones que puedan probarse mediante observaciones astronómicas o tal vez en el laboratorio.

Einstein postuló que la velocidad de la luz en el vacío sea constante en todos los marcos de referencia. Esta fue la base de SR. La velocidad de la luz en diferentes medios (vidrio, agua, aire, etc.) es diferente en cada medio. Einstein volvió a derivar las transformaciones de Lorentz en su publicación de 1905 “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” e interpretó la diferencia en el tiempo debido al movimiento relativo entre dos cuadros inerciales, como real. Desde el punto de vista de Einstein, esta conclusión y la incapacidad de un observador para detectar movimiento absoluto con respecto al espacio, requirió espacio y tiempo para relacionarse de tal manera que la velocidad medida de la luz fuera constante. La pregunta que queda por responder es si el postulado ha sido confirmado por resultados experimentales.

Los críticos de Einstein, e incluso algunos de sus biógrafos, opinaron que Einstein estaba motivado por el deseo de hacer que la RS fuera consistente con los experimentos de M&M que habían creado un problema que los físicos no podían explicar. Sea cual sea la verdad, Einstein simplemente convirtió el problema en un postulado al afirmar que la velocidad medida de la luz en el vacío es constante en todos los marcos de referencia. Si bien la velocidad bidireccional de la luz (señal de retorno y reflejada) se ha probado mediante experimentos y se ha comprobado que es constante y, por lo tanto, consistente con el postulado, medir la velocidad unidireccional de la luz resulta problemático (las longitudes y los tiempos utilizados para calcular el resultado se convierte en una parte del experimento que afecta los resultados).

Entonces, en este punto, el postulado no ha sido verificado. Una implicación del postulado garantiza que todos los marcos inerciales sean equivalentes y, en consecuencia, esto tampoco ha sido validado por el experimento. Lo que se ha demostrado es que dos relojes sincronizados inicialmente en un marco inercial funcionarán a velocidades diferentes después de que uno de los relojes se mueva a un marco inercial diferente, pero solo si el cambio de marco implica una diferencia de energía cinética o potencial. Este resultado no requiere el postulado. … el hecho de que el reloj puesto en movimiento funciona a una velocidad diferente no exige la equivalencia de todos los cuadros inerciales ni requiere que la velocidad de la luz sea constante en todos los cuadros de referencia. Las llamadas validaciones de la relatividad especial no validan la relatividad especial, pero sí evidencian la realidad de la dilatación del tiempo, que es una contribución muy importante al conocimiento mundial, y debe considerarse por sí solo como un pronunciamiento muy valiente proveniente de un empleado advenedizo. trabajando en la oficina de patentes suiza.

Para justificar el postulado de Einstein, el experimento recíproco (un reloj unido a un marco que se mueve uniformemente) tendría que medir el reloj de la Tierra para ser lento en relación con el mismo. No se ha realizado tal experimento. Si la dilatación del tiempo es real, solo uno de los dos relojes podría ser lento independientemente de la fama que se haga la comparación.

esto es de wikipedia:

” Según la relatividad especial , c es la velocidad máxima a la que puede viajar toda la energía, la materia y la información en el universo . Es la velocidad a la que todas las partículas sin masa y los campos asociados (incluida la radiación electromagnética como la luz ) viajan en el vacío. También es la velocidad de la gravedad (es decir, de las ondas gravitacionales ) predicha por las teorías actuales. Dichas partículas y ondas viajan en c independientemente del movimiento de la fuente o el marco de referencia inercial del observador. En la teoría de la relatividad , c se interrelaciona espacio y tiempo , y también aparece en la famosa ecuación de equivalencia masa-energía E = mc 2 .

Ole Rømer demostró por primera vez en 1676 que la luz viajaba a una velocidad finita (en lugar de instantáneamente) al estudiar el movimiento aparente de la luna Io de Júpiter. En 1865, James Clerk Maxwell propuso que la luz era una onda electromagnética y, por lo tanto, viajó a la velocidad c que aparece en su teoría del electromagnetismo. [3] En 1905, Albert Einstein postuló que la velocidad de la luz con respecto a cualquier marco inercial es independiente del movimiento de la fuente de luz [4] y exploró las consecuencias de ese postulado derivando la teoría especial de la relatividad y mostrando que el parámetro c tuvo relevancia fuera del contexto de la luz y el electromagnetismo. Después de siglos de mediciones cada vez más precisas, en 1975 se sabía que la velocidad de la luz era de 299,792,458 m / s con una incertidumbre de medición de 4 partes por billón. En 1983, el medidor se redefinió en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1 / 299,792,458 de segundo. Como resultado, el valor numérico de c en metros por segundo ahora está fijado exactamente por la definición del medidor ”

La lógica clave detrás de la Relatividad Especial era que las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo parecían leyes físicas exactas y universales, y su solución da ondas de luz con una velocidad universal. Ahora era lógicamente posible que esas leyes solo fueran ciertas en un marco de referencia especial, pero para 1905 ningún experimento (incluido el famoso intento de Michelson y Morley) proporcionó ninguna evidencia de que no funcionaran en ningún marco inercial. Einstein demostró que había un marco lógico y consistente (Relatividad Especial) en el que las ecuaciones de Maxwell funcionaban en todos los marcos inerciales, y las leyes de Newton también funcionaban para cualquier objeto que se moviera lentamente con respecto a un marco. De este nuevo marco, se podrían derivar todo tipo de otros efectos, y todos fueron confirmados. Entre esos muchos efectos se encuentran las vidas de las partículas que dependen de la energía, la dinámica exacta de las partículas que se mueven rápidamente, los patrones de radiación de las partículas aceleradoras, el término dependiente de la velocidad similar al magnetismo que acompaña a cada fuerza fundamental, etc.

Uno de los postulados fundamentales de la teoría de la relatividad es que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia. Este postulado, y varios efectos que se derivan de él, se han probado experimentalmente con una precisión muy alta y se ha encontrado que son correctos.

La respuesta a la pregunta “sí, pero ¿por qué?” es que es una ley fundamental de la física. Las leyes fundamentales no tienen una razón, porque dicha razón debe provenir de leyes aún más fundamentales, que o bien no existen o aún no las hemos descubierto.

Quizás en algún momento en el futuro tengamos una teoría más fundamental, y podría decirnos por qué la velocidad de la luz es constante. Pero, por supuesto, entonces esa teoría más fundamental tendría algunas leyes más fundamentales propias que, nuevamente, no podríamos explicar …

Se considera como tal porque eso es lo que se ha observado a través del experimento.

La teoría detrás de este hecho se inspira en gran medida en la idea de que las leyes de la física deberían ser ciertas en todos los marcos de referencia. Nunca sabemos qué tan rápido vamos hasta que comparamos nuestra velocidad con otra cosa. Podemos hablar, por ejemplo, sobre nuestra velocidad en relación con el sol, pero ¿a qué velocidad se mueve el sistema solar a través de la Vía Láctea? ¿A qué velocidad se mueve la Vía Láctea?

El hecho de que solo podamos hablar significativamente sobre velocidades relativas nos invita a considerar algunas leyes físicas que describen velocidades importantes, como la velocidad de la luz, como si la velocidad relativa fuera lo único que importa. Tome las ecuaciones de Maxwell, por ejemplo, que predicen la velocidad de la luz. Olvidando la velocidad absoluta y calculando las cosas en términos de la velocidad relativa de la luz c , producimos resultados que están de acuerdo con nuestra suposición: que la velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia.
Normalmente, las personas ingenuamente consideran que el espacio y el tiempo son absolutos. Si la velocidad es absoluta, significa que el tiempo y el espacio no lo son. Lo cual no es mucho menos intuitivo. Aún mejor es que una combinación especial de tiempo y espacio es absoluta o invariable bajo lo que se conoce como transformaciones de Lorentz. Estas transformaciones son cómo se mapea un evento en un marco de referencia inercial a otro. Nuevamente, gran parte de este formalismo se debe a la suposición única de que el valor predicho de c (y, por lo tanto, cualquier otra predicción que provenga del mismo conjunto de ecuaciones) es constante en todos los marcos de referencia, pero se ha encontrado tan completamente exacto como nosotros son capaces de probar

Quería agregar la respuesta relativista para complementar la respuesta mecánica cuántica dada por Anthony.

Técnicamente, en la relatividad general, la luz solo tiene una velocidad constante localmente , como consecuencia del hecho de que la relatividad general se reduce a una relatividad especial en regiones suficientemente pequeñas de espacio-tiempo donde la cantidad total de curvatura es insignificante; esto significa que se observará que viaja a la velocidad c mientras zumba por usted, pero, por ejemplo, si está en el exterior de un agujero negro, puede inferir que la luz que ha caído en el agujero negro ahora está atrapada en el centro (velocidad 0 en su cuadro, suponiendo que el horizonte de eventos le parezca estacionario). Además, en casos menos extremos, podemos observar que la luz cambia su dirección mediante lentes gravitacionales; Esto no sucede en la relatividad especial (que no describe la gravedad en absoluto).

De todos modos, si nos restringimos a la relatividad especial, fijamos una velocidad mágica c con la propiedad de que si se observa que un objeto viaja a esta velocidad, se observará que viaja a esta velocidad en todos los marcos inerciales. Este es un postulado de la teoría; no tiene explicación en términos de principios más simples. Llamamos a esto la velocidad de la luz porque la luz fue lo primero que descubrieron los humanos que viaja a esta velocidad en particular.

Ahora, este postulado por sí solo no es suficiente para describir la mecánica relativista; necesitamos un poco más para alinearlo con la realidad física. En particular, también postulamos que cada partícula tiene una determinada masa invariante fija m , cuya definición precisa omitiré aquí. La masa invariante tiene la propiedad de que no solo permanece constante cuando cambiamos nuestro marco de referencia, sino que tampoco cambia con el paso del tiempo en ningún marco de referencia dado hasta que la partícula deja de existir. Para partículas masivas, la masa invariante es la misma que la masa en reposo; para un fotón, la masa invariante es cero. Todas las partículas de un tipo dado tienen la misma masa invariante, por lo que tan pronto como observemos un fotón, podemos concluir que todos los fotones tienen masa invariante cero.

Pero una partícula sin masa tiene un momento cero cuando viaja a velocidades inferiores a c . Este tipo de partículas no está permitido en la mecánica clásica, a menos que postulemos que no podemos interactuar con ellas, en cuyo caso no están realmente allí, porque de lo contrario causan todo tipo de problemas; por ejemplo, no podemos ejercer ninguna cantidad finita de fuerza sobre una partícula de este tipo, ya que su impulso no cambiará en absoluto (porque siempre es cero independientemente de la velocidad) o saltará instantáneamente a un valor distinto de cero a medida que la partícula vuelve a subir hasta la velocidad de la luz; Como la fuerza es la derivada del momento del momento, en el primer caso la fuerza es cero, lo que significa que la fuerza de reacción también es cero y no podemos detectar la partícula, y en el último caso es infinita, lo que de todos modos es imposible. En conclusión, las partículas con masa invariante cero no pueden reducir la velocidad; rompería todas las leyes de la física.

La velocidad de propagación de la onda depende del medio en el que se mueve.

Consideremos una piedra que cae sobre la miel y la otra sobre el agua. La ola en el agua será comparativamente más rápida. Ahora, haga que el medio sea más elástico y la velocidad aumentará aún más.

Al llegar a em wave, Maxwell propuso que la velocidad de la luz en el vacío se expresara mediante la expresión 1 / √ε0μ0.

Y por la mecánica newotoniana, la velocidad de la luz también debe depender de la velocidad de la fuente. Si la velocidad de la fuente es v, entonces la velocidad de la luz debe ser ‘c + v’.

Esto implicaba que solo debe haber una referencia en la que la velocidad de la luz será exactamente c. Esta referencia fue llamada como éter .

Pero refutar la existencia del éter experimentalmente (por Michelson-Morley ) demostró que la mecánica newtoniana estaba equivocada y que la ecuación de Maxwell era correcta.

Ahora, si la velocidad de la luz en el vacío es constante en el vacío, entonces debe ser igual también si su fuente se está moviendo.

Y esta fue la piedra angular de la teoría más revolucionaria, The Special Theory of Relativity.

Si tiene alguna duda o dificultad para entender por favor comente abajo.

Edición 1: En realidad escribí esta respuesta aquí: la respuesta de Nikhil Keshav a ¿Cuál es la razón fundamental de que la velocidad de la luz sea constante en todos los marcos de referencia? Pero respondió aquí debido a la solicitud

En mi vista,

Si solo tiene una constante exacta, puede construir todas sus reglas, relaciones, etc.

La velocidad de la luz no es una constante exacta. Lo constante es “C”, que representa también la velocidad de la luz.

Pero creo que “C” representa más … Puede cambiar la velocidad de la luz medida según el medio, como el agua, el aire, el espacio, el vacío o la velocidad, etc.

En todos los casos, “C” es constante.
(No soy físico, entonces no puedo explicar más otras especialidades de “C” en física. Por esta razón, trataré de explicar solo mi perspectiva).

“C” es constante, porque pertenece a un tipo de onda. Creo que la energía incluida de esta onda es “C”. Por esta energía, la ola tiene una energía y una velocidad. Puedo llamar a ambos como “C”. La longitud de onda (una longitud de Planck) de esta onda es el tiempo medido en distancia como tiempo de Planck.
Significa que usted determina el tiempo de acuerdo con cuántas secuencias de onda pasan.

Cuando una ola entra en un medio diferente, se refracta. También su velocidad cambia. Su longitud de onda cambia pero su frecuencia no. (Por eso creo que la luz de los fotones es una persona que practica surf en estas ondas)

Acelerar significa también “una instalación de energía en el objeto”. Por ejemplo, si acelera un satélite hasta que alcance una velocidad predeterminada, después de dejarlo, continuará moviéndose con esta velocidad hasta que pierda su energía por fricción o golpee algo. Durante este viaje, llevará esta energía instalada.
Este caso tiene otros medios, la densidad de energía de este objeto es mayor que antes de su aceleración.
Creo que aquí está el punto principal.

Noe, tenemos una (especie de) onda que escanea todo el universo y transporta fotones.
En un medio inmóvil, la velocidad de los fotones es la Velocidad de la Luz (debido a “C”)
Cuando el objeto comienza a moverse, su densidad de energía aumentará. Por lo tanto, será un nuevo medio para las olas. En este nuevo medio, la velocidad de las olas y la longitud de onda cambiarán.
Entonces, para un observador en este medio determinará el tiempo como ondas cruzadas. Debido a la velocidad lenta de las olas en este medio, contará muchas menos secuencias de olas. Por lo tanto, su tiempo se dilatará, aunque no puede notarlo. Si determina / mide la velocidad de la luz, la encontrará de acuerdo con su tiempo dilatado.
(Él determinará la velocidad de la luz nuevamente como 299 792 458 m / s.)

Cuando estas olas abandonen este medio, cambiarán su longitud de onda y velocidad de acuerdo con el nuevo medio ingresado. Un observador en este medio determinará la velocidad de la luz de acuerdo con sus números de ondas cruzadas nuevamente.

¿Por qué?
Debido a que estas ondas se refractan cuando entran en un medio nuevo, de modo que la longitud de onda para el observador interno está cambiando.

(Utilizo esta ilustración en mi publicación Una idea diferente para la Relatividad según el Movimiento para explicar con un ejemplo si un objeto acelera “0.7 C”. El término EGD se usa para las secuencias Wave)

En realidad, no tiene casi nada que ver con la luz per se: Einstein no modificó una sola línea de electromagnetismo maxwelliano para dar a la luz su nueva propiedad que alza las cejas. Más bien, reescribió la mecánica newtoniana para dar una serie coordinada de nuevas propiedades, principalmente dilatación del tiempo, contracción de la longitud y aumento de la masa relativista, a todo con lo que se podría medir la velocidad de la luz.