En términos simples, ¿cómo sabemos que no se puede exceder la velocidad de la luz?

En respuesta a su punto (1), la razón por la cual las personas creen que la relatividad es correcta no tiene nada que ver con lo que usamos para observar la luz: ciertamente no usamos la luz para observarse a sí misma, sino que usamos las interacciones de la luz con la materia para observar el comportamiento de la luz.

Que la velocidad de la luz no se puede exceder es una consecuencia de los postulados de la relatividad, significa que asumimos que ciertas afirmaciones son verdaderas y luego derivamos las consecuencias que siguen. Si se observa que las consecuencias de los postulados son falsas en el mundo real, entonces la teoría tendrá que descartarse.

Los dos postulados de la relatividad especial se pueden expresar de muchas maneras, aquí hay uno:

(I) Las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales.

(II) La velocidad de la luz en el vacío es la misma en todos los marcos de referencia inerciales.

Pero la relatividad, lo creas o no, no depende de si la velocidad de la luz es realmente el límite fundamental de velocidad del universo.

Podría ser que la partícula de luz en sí misma sea masiva y viaje un poco más lenta que el límite de velocidad fundamental en el universo.

Nadie cree que esto sea cierto, y toda la evidencia sugiere que el fotón no tiene masa, pero no se descarta por completo experimentalmente, que el fotón tiene una masa muy pequeña.

Pero la relatividad dice absolutamente que hay un límite de velocidad fundamental en el universo que no puede ser excedido.

Esto tiene consecuencias muy profundas para toda la física, cuando algo se mueve a velocidades relativas cercanas al límite de velocidad … la energía cinética de cualquier objeto aumenta extremadamente rápido a medida que se acerca al límite de velocidad si el objeto es masivo.

Este límite de velocidad se aborda habitualmente en aceleradores de partículas en todo el mundo. Los aceleradores ni siquiera funcionarían si las cinemáticas derivadas de los dos postulados anteriores fueran falsas, en gran medida.

Si hace un poco de ingeniería inversa, como lo hizo el popular físico Brian Greene, encontrará que todos los objetos dentro del entorno de cuatro dimensiones conocidos como espacio-tiempo, cada uno viaja a la velocidad de la luz.

Para imaginar este fenómeno en acción, puede comenzar imaginando quizás una esfera tridimensional, o quizás una caja 3D, y dentro de esa caja todos los objetos se mueven constantemente a la velocidad de la luz, y lo hacen sin importar en qué dirección se encuentren. de viaje. A continuación, simplemente convertimos este cuadro en un cuadro de cuatro dimensiones. La cuarta dimensión se convierte en la dimensión conocida como la dimensión del tiempo.

Entonces, a su vez, aquí también lo que tenemos ahora es un entorno de tiempo espaciado 4D y, por supuesto, todos los objetos dentro de él se mueven constantemente a la velocidad de la luz.

Dado que todos los objetos se mueven constantemente a la velocidad de la luz, esa se convierte en la velocidad máxima a la que pueden moverse a través de la dimensión del tiempo, y también sería la velocidad máxima de la cual podrían moverse a través de la dimensión del espacio, si tal Lo que sea posible. En otras palabras, en nuestros experimentos, no necesariamente intentamos acelerar el movimiento de las partículas, pero lo que hacemos es que a menudo intentamos aumentar el porcentaje del movimiento constante que se dirige específicamente a través de solo espacio.

Lo que estamos haciendo es simplemente cambiar la dirección del movimiento constante que tiene lugar dentro de la estructura de cuatro dimensiones conocida como tiempo espaciado. Por lo tanto, cuanto más rápido parece moverse un objeto a través del espacio, más hemos alterado la dirección de su movimiento dentro del espacio-tiempo, y por lo tanto, ahora se mueve menos a través de la dimensión del tiempo.

Y, por cierto, si cambia su dirección de viaje dentro de esa estructura de cuatro dimensiones conocida como tiempo espaciado, también está en el proceso de rotación, a medida que avanza para cambiar su dirección. Esta es una rotación 4D.

Si tiene todo esto en cuenta, la rotación, el movimiento constante dentro del entorno de cuatro dimensiones conocido como tiempo espaciado, pronto descubrirá que este fenómeno lo lleva directamente a la relatividad especial (SR), y a su vez también deriva rápidamente todo Las ecuaciones matemáticas SR.

En otras palabras, ahora está avanzando con ingeniería avanzada, ingeniería que lo lleva desde su punto de partida del movimiento absoluto “c” que está ocurriendo con un entorno absoluto de cuatro dimensiones.

Voy a comenzar esto con un poco de tonterías.

Nada excepto la luz se mueve realmente. Realmente no. Siempre hay una manera, para cualquier cosa, de que esa cosa diga “No me he movido, me he mantenido estacionaria mientras me afectaban estos campos gravitacionales cambiantes, y todo lo demás se movía”. Dado que usted no se está moviendo bajo ninguna circunstancia, y la luz es, por supuesto, no puedes atraparla.

Por supuesto, esto parece absurdo, vemos cosas que se mueven todo el tiempo. Y, sin embargo, cada uno de ellos puede afirmar que es estacionario y que es el universo y todas las demás cosas que se mueven a su alrededor. Las matemáticas y la física se verifican. Cada. Soltero. Hora. Esto es esencial para la relatividad.

Entonces, dado que cualquier observador siempre puede afirmar que son estacionarios, y que la luz nunca puede ser estacionaria, la luz debe necesariamente moverse más rápido que cualquier observador, persona o cualquier cosa en el universo. La parte mucho más complicada de esto es comprender cómo esto se traduce en obtener exactamente el mismo resultado cuando todo se mueve y en pozos de gravedad y todas las otras cosas desordenadas inherentes al mundo real. Porque no tiene sentido que dos personas diferentes calculen que el mismo universo es diferente, incluso si parece diferente para cada uno de sus sentidos.

Tenga en cuenta que esto solo cubre el movimiento real. Hay cosas que no son movimientos que pueden, tal vez, tal vez, en teoría , poder llevarlo del punto A al punto B en menos tiempo que la luz puede hacer el mismo viaje directamente. Pero es solo a través de cosas como agujeros de gusano o unidades de Alcubierre. Estas cosas aún no implican moverse en realidad más rápido que la luz, están haciendo trampa moviéndose a través de mucho menos espacio para terminar en el mismo lugar.

1. Como otros ya han señalado, no estudiamos la luz con la luz (no hay interacción de la luz consigo misma en el vacío). Otros ya han descrito la teoría de la relatividad, por lo que no voy a exponer sobre eso.

Sin embargo, lo que hay que decir es que a fines del siglo XIX, Michelson y Morley intentaron medir la velocidad del éter. En aquellos días se imaginaba que la luz se propagaba a través de un “mar” invisible, todo penetrante, como las olas en el océano.

Cuando Michelson y Morley lo midieron, encontraron que el éter era estacionario en relación con todos los marcos inerciales.
Lo que eso significa esencialmente es que la velocidad de la luz es independiente del dispositivo emisor, observador, etc.
Este resultado solo requeriría que la velocidad de la luz sea la más rápida posible (consulte las otras respuestas para obtener más detalles).

2. El experimento de Michelson-Morley se realizó utilizando interferómetros, que son bastante indiferentes a la velocidad de la luz. (Para medir cualquier cosa más rápido, simplemente aumentaría la ruta recorrida por el dispositivo, utilizando espejos, etc.).

Pensar en los fotones como partículas cotidianas es engañoso. Como recuerdo que un profesor de física dijo: “el uso de la palabra fotón solo debería permitirse a los doctores en física”.

3. La diferencia entre sonido y luz es que el sonido tiene un medio de propagación y la luz no. (Hay más diferencias que son irrelevantes en este momento).
La frecuencia y la longitud de onda de una onda dependen del marco de referencia. Esto se llama efecto doppler.

En el caso del sonido, el cambio en la frecuencia y la longitud de onda depende del marco de referencia del observador, el marco de referencia del transmisor, ambos relativos al medio (aire, por ejemplo).

En el caso de la luz, el único factor es la velocidad relativa entre el receptor y el transmisor.

En los días de Einstein, se creía ampliamente que la “Teoría de la Relatividad” – (creo que estaban hablando de la Relatividad Especial) era tan compleja que solo tres personas la entendieron. Esa es una gran exageración, ya que muchas personas lo entienden hoy.

Sin embargo, usted está pidiendo que se explique en “términos laicos”. Apuesto a que la misma pregunta habría parecido absurda en el pasado.

Encontré esta definición para un laico:

1. Un miembro no ordenado de una iglesia.
2. una persona sin conocimiento profesional o especializado en un tema en particular.

Estoy seguro de que podría hacerse accesible para algunos que no son miembros de una iglesia. De hecho, Einstein, él mismo, no asistía a la iglesia a menos que su visita ocasional a una sinagoga contara en su contra.

También debe ser accesible para una persona sin conocimiento profesional o especializado si esa persona es bastante lógica y está motivada para concentrarse mucho. Otros ya han ofrecido explicaciones convincentes de lo que se desprende del hecho peculiar pero a menudo observado de que no importa dónde se encuentre y no importa cuán rápido se mueva, cuando mide cualquier onda electromagnética (la luz es solo un subconjunto de emanaciones electromagnéticas), su velocidad mide para ser siempre la misma maldita cosa, una velocidad no variable, siempre predecible que llamamos “la velocidad de la luz”.

Con eso como punto de partida, puede guiarse a través de varios ejercicios de pensamiento para establecer que cualquier otro movimiento constante posible que vaya a medir es siempre menor que esa velocidad especial. Sin embargo, te advierto que debes hacer que los perros dejen de ladrar infernalmente mientras te concentras.

Esta es la mejor explicación que encontré:

Todo, por naturaleza de simplemente existente, se está “moviendo” a la velocidad de la luz (que realmente no tiene nada que ver con la luz: más sobre eso más adelante). Sí, eso te incluye a ti.

Nuestra comprensión del universo es que la forma en que percibimos el espacio y el tiempo como cosas separadas es, para ser sincero, incorrecto. No están separados: el universo está hecho de “espacio-tiempo”, todo en una palabra. Un año y un año luz describen diferentes cosas en nuestra vida cotidiana, pero desde el punto de vista de un físico, en realidad son exactamente lo mismo (dependiendo de qué tipo de física estés haciendo).

En nuestra vida cotidiana, definimos el movimiento como la distancia recorrida durante una cierta cantidad de tiempo. Sin embargo, si las distancias y los intervalos de tiempo son exactamente lo mismo , eso de repente se vuelve completamente sin sentido. “¡Viajé un pie por cada pie que viajé” es una declaración absolutamente absurda!
La forma en que funciona es que todo en el universo viaja a través del espacio-tiempo a una velocidad que llamaré “c” en aras de la brevedad. Recuerde, el movimiento en el espacio-tiempo no tiene sentido, por lo que tiene sentido que nada pueda ser “más rápido” o “más lento” a través del espacio-tiempo que cualquier otra cosa. Todos y todo viaja a un pie por pie, así es … cómo funciona.

Obviamente, sin embargo, las cosas parecen tener velocidades diferentes. La razón que sucede es que el tiempo y el espacio son ortogonales , lo cual es una especie de término elegante para “en ángulo recto entre sí”. El norte y el este, por ejemplo, son ortogonales: puede viajar todo lo que quiera directamente al norte, pero no afectará en absoluto a dónde se encuentra en términos de este / oeste.

Al igual que puede viajar hacia el norte sin viajar hacia el este, puede viajar a través del tiempo sin que afecte dónde se encuentra en el espacio. Por el contrario, puede viajar a través del espacio sin que afecte dónde se encuentra en el tiempo.
Estás (presumiblemente) sentado en tu silla ahora mismo, lo que significa que no estás viajando por el espacio en absoluto. Sin embargo, dado que tiene que viajar a través del espacio-tiempo a c (velocidad de la luz), eso significa que todo su movimiento es a través del tiempo.

Por cierto, esta es la razón por la que ocurre la dilatación del tiempo: algo que se mueve muy rápido en relación con usted se mueve a través del espacio, pero dado que solo pueden viajar a través del espacio-tiempo en c, tienen que moverse más lentamente a través del tiempo para compensar (desde su punto de vista).
La luz, por otro lado, no viaja en el tiempo en absoluto. La razón por la que no es algo complicada, pero tiene que ver con el hecho de que no tiene masa.

Algo que no se mueve que tiene masa puede tener energía: eso es lo que [matemática] E = mc ^ 2 [/ matemática] significa. La luz no tiene masa, pero tiene energía. Si conectamos la masa de luz en [matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas], obtenemos 0, lo que no tiene sentido porque la luz tiene energía. Por lo tanto, la luz nunca puede ser estacionaria.

No solo eso, sino que la luz nunca puede ser estacionaria desde la perspectiva de nadie . Como, como todo lo demás, viaja en c a través del espacio-tiempo, eso significa que toda su “velocidad del espacio-tiempo” debe ser a través del espacio, y nada de eso es a través del tiempo.

Entonces, la luz viaja en c. No por casualidad, a menudo escuchará c referida como la “velocidad de la luz en el vacío”. Realmente, sin embargo, es la velocidad a la que todo viaja, y resulta ser la velocidad a la que viaja la luz a través del espacio porque no tiene masa.

Esto también cubre la pregunta común de por qué nada puede viajar más rápido que la luz y por qué las cosas con masa no pueden viajar a la velocidad de la luz. Como todo se mueve a través del espacio-tiempo en c, nada puede excederlo (y no, viajar hacia atrás en el tiempo no solucionaría eso). Además, las cosas con masa siempre pueden ser “estacionarias” desde la perspectiva de alguien (como la suya), por lo que siempre tienen que moverse a través del tiempo al menos un poco , lo que significa que nunca pueden viajar por el espacio tan rápido como lo hace la luz. Tendrían que viajar a través del espacio-tiempo más rápido que c para hacer eso, lo cual, nuevamente, no es posible.

Nota: – No soy el autor de este artículo, lo encontré cuando tenía la misma pregunta.

Fuente: – ELI5 ¿Por qué viaja la luz? • / r / explicar como imitar

Porque creemos en la causalidad, es decir, esa causa siempre precede al efecto. Si fuera posible superar la velocidad de la luz, un evento que ocurriera aquí y ahora podría haber afectado algo en otra parte antes de que una señal de luz pudiera alcanzar ese otro punto. Piensa en mí como un espía de una nave espacial enemiga: veo que están disparando un rayo láser hacia mis amigos, así que les envío un mensaje rápidamente: “cúbrete, te dispararon un láser”.

Sin embargo, como nos dice la relatividad especial, el orden temporal de los eventos que tienen lugar fuera del cono de luz de cada uno (es decir, de los eventos que no pueden conectarse por luz o señal más lenta) depende del marco de referencia. Entonces, en nuestro caso hipotético, algunos observadores habrían visto que el evento que usted “causó” al enviar una comunicación más rápida que la luz ocurrió antes de que yo enviara la señal: mis amigos corren a cubrirse, antes de que el láser haya sido disparado y antes de que yo haya enviado un mensaje ellos.

Antes de la relatividad y antes de que la relatividad fuera ampliamente aceptada, la idea de la contracción de Lorentz se utilizó para tratar de explicar por qué la luz siempre parece viajar a la misma velocidad en relación con nosotros.

Esto fue similar a lo que estás hablando; fue la idea de que si tratamos de mover algo, tomará un tiempo finito para que un extremo de la cosa “se dé cuenta” de que el otro extremo ha comenzado a moverse, por lo que las cosas se contraen cuando se mueven, incluidos nuestros instrumentos de medición .

Pero la relatividad, en la que literalmente hay un límite superior fijo para la velocidad y en el que las medidas de tiempo y espacio son relativas, proporciona una explicación mucho más elegante y completa de la invariancia de la velocidad de la luz.

Se cree que tiene que haber un límite superior para la velocidad, porque no existir uno implicaría matemáticamente que las leyes de la física (por ejemplo, las leyes de Maxwells de la electromagnética) tendrían que ser diferentes para diferentes observadores en movimiento relativo, y eso no ”. Parece ser el caso.

Para evitar esto, las observaciones hechas por observadores en movimiento relativo deben transformarse matemáticamente de una manera particular, lo que implica una velocidad máxima.

Esa velocidad máxima tiene que ser la velocidad de la radiación electromagnética (incluida la luz) para que esto funcione, ya que la velocidad de la luz puede derivarse de las leyes de la electromagnética.

Y si tenemos razón sobre esto, lo que parece que nosotros (¡científicos, de todos modos!), Cualquier cosa que viaje a una velocidad mayor que la luz implicaría que podría encontrar un observador moviéndose con una velocidad particular en una dirección particular que perciba los efectos de cosas antes de sus causas.

Este observador podría cambiar lo que consideramos pasado.

Como eso parece paradójico, la posibilidad más simple es que simplemente no hay nada que pueda viajar más rápido que la luz, a pesar de que la relatividad en sí misma no descarta que pueda haber tales cosas.

Aquí aislemos este problema a la velocidad de la luz misma y dejemos de lado otras cosas como marcos de referencia, observadores, espacio-tiempo o espacio y tiempo por el momento. Necesitamos un poco de simplicidad aquí.
Porque bajo esa velocidad, su estructura puede permanecer en un estado termodinámicamente estable óptimo que se ajusta al principio de eficiencia. Un fotón existe en un estado dinámicamente equilibrado de oscilación entre las existencias de fase de onda y fase de partículas. La naturaleza no tiene otras formas de mantener estable la estructura de un fotón. Y solo tiene una capacidad limitada de autoajuste para adaptarse a diferentes condiciones de energía en su estructura, al cambiar la frecuencia, convertir la energía del momento en energía de vibración y viceversa. Pero la amplitud y frecuencia de la vibración tienen una limitación: sobre el límite superior o inferior, este fotón no puede mantener estable su estructura, puede convertirse en otra cosa. Aquí podemos ver que solo puede usar la flexibilidad de su existencia de fase de onda para ajustar su estado de existencia para mantenerlo estable, pero su existencia de fase de partículas no tiene esta flexibilidad. Es un proceso de transformación de masa sin energía de fricción donde: Energía de fase de onda E = energía de fase de partículas el momento p. mientras que p = mv. Por lo tanto, la velocidad v que da la energía de momento p a la masa m de la existencia de la fase de partículas debe limitarse a un cierto valor para permitir que E esté en un rango de valor limitado para mantener la estabilidad estructural de este fotón debido a la rigidez de la m misma es partícula y tiene su propia estructura y eso no se puede cambiar sin que se convierta en otra cosa. La rigidez de m determinó la rigidez de v. Cuando m es rígido, el ajuste solo se puede organizar entre E y v. Entonces, cuando este fotón obtiene un arrastre que extrae su energía, E convierte parte de su energía de vibración en el momento p para mantener la velocidad v y que hacen que su frecuencia baje; cuando un impulso sobre este fotón le da más energía de impulso p, entonces esa energía extra se convertirá en energía de vibración E que aumentará su frecuencia.
Entonces, la conclusión es: la luz tiende a mantener su velocidad constante debido a que su existencia en fase de masa es una forma de existencia rígida – partícula que tiene una estructura para mantener, mientras que la existencia de fase de onda solo tiene una capacidad limitada para ajustar las condiciones de energía en el proceso . La materia tiende a permanecer en un estado termodinámicamente estable, razón por la cual la luz tiende a mantener su velocidad constante.

La velocidad es una “velocidad / tiempo”. Exceder la velocidad de la luz ‘rompería’ el parámetro de tiempo de la ecuación.

(Ese es un pensamiento muy simplificado, de acuerdo con la solicitud de la pregunta).

Debido a E = mc ^ 2
A medida que nos acercamos a la velocidad de la luz, aumenta la energía que necesitamos para acelerar el objeto. Esta necesidad de energía eventualmente se vuelve infinita, y debido a que el mundo no tiene energía infinita, somos incapaces de alcanzar la velocidad de la luz, incluso en el vacío.