Aquí viene una respuesta controvertida que de ninguna manera es el consenso de la comunidad científica. Es solo mi respuesta, y pasará un tiempo antes de que otros estén de acuerdo conmigo, si alguien alguna vez lo hace. La elegancia de esta respuesta es que elimina la dualidad onda versus partícula de la radiación electromagnética, simplifica la teoría de la relatividad e incluso proporciona una respuesta simple a la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen.
Si hace esta pregunta en Quora, casi todos le darán una respuesta similar a “Así es como es el Universo”. Esta no es una mala respuesta, de hecho, fue una brillante onda cerebral en la mente de Albert Einstein. Simplemente aceptando el hallazgo experimental muy poco intuitivo (por no decir completamente loco) de que la velocidad de la luz no cambia cuando cambia la velocidad del observador, dedujo la teoría de la relatividad solo por razonamiento directo.
Las personas que primero se enteran de este hecho notable pasan primero por una ‘fase de negación’, porque la invariabilidad de la velocidad de la luz es un fenómeno diferente a todo lo que vemos en el mundo que nos rodea. Sin embargo, después de un tiempo, los estudiantes de física aprenden a aceptar este paradigma, mientras que los físicos que vuelan un avión a una velocidad c / 4 se rascarían la cabeza de inmediato si vieran un fotón volando frente a ellos a una velocidad 3c / 4. Inmediatamente gritarían en total confusión: “¡¿Cómo es eso posible ?!”, mientras que para el profano tal observación tendría mucho sentido. Lo que digo es que muchos físicos ya no están interesados en la pregunta del por qué, han aceptado el hecho y han seguido adelante. Sin embargo, personalmente tengo una idea sobre por qué. Y la respuesta a su pregunta es en realidad bastante simple. Trataré de compartir lo esencial contigo.
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En primer lugar, olvida el modelo dualista de la luz. Nunca he estado dispuesto a aceptarlo. ¿Cómo puede la luz en un momento estar hecha de partículas, y 5 minutos después, porque es más conveniente, ser un fenómeno de onda sin un medio de propagación? Es un enfoque sucio y no tiene sentido. Conocemos partículas, conocemos ondas, y siempre es una u otra, nunca ambas.
Segundo, olvídate de la luz que no necesita medio de propagación. Es una suposición falsa. Al igual que todas las otras ondas, la luz también requiere un medio. Es el conocido éter, abandonado después de los experimentos de Michaelson y Morley hace cien años, lo cual fue un error. El éter está allí, aunque no podamos verlo. Pero podemos perturbar el éter, y cuando lo hacemos, las ondas que creamos en el éter se ven como radiación electromagnética. Y sí, el éter consiste en partículas y eso explica el comportamiento corpuscular de la luz. No necesitamos fotones para eso.
¿No estás de acuerdo con que con los supuestos anteriores los libros de física se vuelven mucho más elegantes? Todas las ondas requieren un medio, sin excepciones, y la luz siempre es una onda, y no solo cuando ya no quieres que sea una corriente de partículas. ¡Guauu!
Ahora viene la parte difícil. La pregunta es: ¿por qué la velocidad observada de la luz no cambia cuando el observador se mueve? Aquí vamos.
Nuestro universo es un espacio de 4 dimensiones. No es ‘espacio-tiempo’, en cambio, las 4 dimensiones w, x, y y z son dimensiones espaciales ordinarias tal como las conocemos, y todas se pueden medir con una regla. También son ortogonales al mismo tiempo, por lo que cada dimensión es perpendicular a cada una de las otras 3. Difícil de imaginar ¿verdad? Eso es porque a lo largo de la evolución humana nunca hemos visto esa cuarta dimensión espacial, w. Por qué no? Porque estamos volando a la velocidad de la luz c a través del Universo 4-dimensional en la dirección w. Y dado que nos estamos moviendo a la velocidad de la luz, esa cuarta dimensión, w, es Lorentz contraída a cero. No lo vemos Solo vemos x, y y z. Volando a la velocidad de la luz a través del espacio de 4 dimensiones, lleno de éter, solo vemos un Universo tridimensional.
Entonces, ¿qué sucede cuando encendemos una bombilla? Esto perturbará el éter, y una onda de 4 dimensiones comenzará a expandirse en él. Sin embargo, solo vemos una onda tridimensional, porque esa cuarta dimensión está ‘oculta’. Como resultado, vemos una onda esférica tridimensional que se expande a la velocidad de la luz.
Ahora viene la parte interesante. Un segundo observador aborda un cohete y acelera a la mitad de la velocidad de la luz, alejándose de nosotros. Digamos que acelera en la dirección z. Esta dirección, como se explicó anteriormente, es perpendicular a la dirección w, en la que ya nos estábamos moviendo a la velocidad c. ¿Qué sucede si un cohete acelera perpendicularmente a su velocidad? Sí, comienza a moverse en un camino circular. Entonces, mientras ves que el cohete vuela lejos de ti en la dirección z, en el espacio de 4 dimensiones el cohete se desvía de su trayectoria lineal en la dirección w y comienza a moverse en una órbita circular en el plano zw, aún en el misma velocidad orbital c.
En cierto punto, el cohete ha alcanzado una velocidad c / 2, es decir, la mitad de la velocidad de la luz, con respecto a nosotros. Deja de acelerar y, como resultado, recupera su movimiento lineal a través del éter de 4 dimensiones. Sin embargo, en este punto ya no se mueve en la dirección w, como lo hacemos nosotros. Todavía se está moviendo a velocidad c a través del espacio de 4 dimensiones, pero ahora en un ángulo de 30 grados con la dirección w (de modo que hay una componente de velocidad de c / 2 en la dirección z).
Cuando el observador en el cohete mira por la ventana, ¿qué verá? Seguirá viendo un espacio tridimensional, que de hecho sigue siendo un espacio 4 dimensiones contraído por Lorentz, tal como lo vemos en la Tierra. Después de todo, todo el tiempo solo aceleró en una trayectoria circular, y su velocidad orbital c nunca cambió. Sin embargo, dado que su dirección de contracción de Lorenz ya no es la misma que la nuestra, el espacio que ve se verá diferente de lo que vemos en la Tierra. Por ejemplo, todas las dimensiones en la dirección z se han reducido. Esta es la contracción de Lorentz tal como está escrita en los libros de texto. Al mismo tiempo, ahora puede ver parte de la dimensión w. Esta dimensión se ha ‘abierto’ a él, y puede ver estructuras que están ocultas para nosotros en la Tierra.
Ahora el observador dentro del cohete mira detrás de él la luz que viene de su bombilla. Al igual que usted, verá una proyección tridimensional de una onda expansiva de 4 dimensiones, expandiéndose a la velocidad de la luz. Se verá exactamente como lo que ves desde la Tierra. La única diferencia entre usted y el observador en el cohete es que sus dimensiones espaciales ocultas (debido a la contracción de Lorentz) son diferentes. Su dimensión oculta es w, su dimensión oculta es una combinación lineal de w y z. Esto no cambia la observación de una onda de luz expansiva de 4 dimensiones. Ambos verán una proyección tridimensional de una onda de 4 dimensiones, expandiéndose a la misma velocidad.
Es similar a hacer un video de un globo esférico tridimensional inflado. Visto desde el frente, se ve como un círculo bidimensional que crece en tamaño a un cierto ritmo. Visto de lado, ves una parte diferente del globo, pero en el video todavía se ve como el mismo círculo bidimensional que crece en tamaño a la misma velocidad.
Entonces, la respuesta muy breve a su pregunta es: la contracción de Lorentz.
