¿Por qué la velocidad de la luz es independiente del marco de referencia?

Desde el punto de vista del físico experimental hay dos preguntas. Hay diferentes respuestas para la velocidad unidireccional de la luz frente a la velocidad bidireccional.

La medición prototípica de la velocidad de la luz en un sentido consiste en dos relojes en las posiciones A y B, con una regla de longitud L entre ellos, todo estacionario en el marco de algún Observador. La luz se envía de A a B, las horas de salida y llegada se miden en los relojes respectivos, y [matemática] c = L / (t_B-t_A) [/ matemática]. El resultado tiene que aparecer en la c habitual porque, como paso preliminar, tenía que haber sincronizado los relojes, y la convención de sincronización de Einstein es hacer exactamente lo anterior y ajustar la sincronización hasta que el resultado sea c. Los diferentes observadores obtienen la misma velocidad unidireccional porque cada uno lo hace independientemente, a costa de sincronizaciones diferentes e incompatibles.

Por el contrario, la velocidad bidireccional de la luz realmente es la misma en un sentido sustantivo y no artificial para diferentes observadores, pero es menos una propiedad misteriosa e impensable de la luz y más un conjunto coordinado de propiedades de todo lo que posiblemente podría medir la velocidad. de luz con. (Es por eso que Einstein obtuvo tanto kilometraje como un axioma).

Primero, algunas letras pequeñas: la regla solo se aplica a las mediciones independientes. Conceptualmente, al menos, debes poder meter todo el aparato en una caja, acelerarlo suavemente a la velocidad de algún otro observador y luego volver a ejecutar el experimento. El éter es inexistente en el sentido de que, sea lo que sea exactamente lo que la luz se propaga, no es una “cosa” que necesita meter en la caja y preocuparse por cambiar la velocidad. Por el contrario, si su experimento se basó en alguna característica de la Tierra que comúnmente tratamos como una referencia de posición o velocidad, por ejemplo, Greenwich, necesitaría poner la Tierra en la caja.

Con ese preámbulo, considere la medición bidireccional más simple: una fuente de luz, un reloj, una regla, un espejo y un detector. Envía la luz a lo largo de la regla, digo L, la refleja de vuelta al detector y mide la hora de salida y llegada en el mismo reloj. Debido a que solo hay un reloj, no hay problemas sutiles de sincronización y [math] c = 2L / \ Delta t [/ math].

Si coloca este experimento en una caja y lo acelera a la velocidad de otro observador, funcionará exactamente igual. La regla será estacionaria con el segundo observador, por lo que definirá la distancia L como antes. La [matemática] \ Delta t [/ matemática] será numéricamente la misma que antes, y también lo será la c. Ese es un hecho importante, físicamente significativo. Pero hay tanta transformación de cantidades al cambiar entre las descripciones de los dos observadores que es difícil seguir lo que está sucediendo.

Para comprender la fisicalidad, debe volver a la descripción del primer observador. El aparato ahora funciona a velocidad v, por lo que ya no es una velocidad válida de medición de luz. El reloj está dilatado en el tiempo, por lo que sus garrapatas ya no son medidas válidas de Observer-1 segundos. La regla tiene una longitud contraída, por lo que ya no es una medida válida de Observer-1 metros. Y ni siquiera es un viaje de ida y vuelta adecuado: la luz vuelve al reloj pero el reloj ya no está en la misma posición del Observador-1. Todos estos efectos son físicamente reales, ya que se aplican cuando mantiene al observador (y su velocidad) igual y se mete con la velocidad del aparato. Y se cancelan, ya que el viaje de ida y vuelta al reloj toma la misma cantidad de tics, de modo que, ahora que es inmóvil con el Observador 2, se ve exactamente como lo hizo originalmente con el Observador 1.

El principio de relatividad luego dice que no importa qué esquema cocine, las propiedades del equipo en un experimento autónomo cambiarán siempre (a medida que mantenga al observador igual y varíe la velocidad de la caja) para que el resultado final sea lo mismo.

Por ejemplo, el famoso experimento de Michelson-Morley es equivalente a mover el experimento del espejo del reloj anterior primero longitudinalmente y luego transversalmente y buscar una diferencia. Y la interpretación relativista es que la contracción de longitud no se aplica en la configuración transversal, pero no necesita dar la cancelación porque la luz no viaja tan lejos en un camino en zigzag como en un camino hacia arriba y hacia atrás.

Finalmente, tenga en cuenta que el principio de relatividad se aplica también a las mediciones de velocidad de la luz que incorporan efectos mecánicos y de otro tipo y, de hecho, a cualquier medida autónoma. En un nivel que no debería ser sorprendente: la mecánica newtoniana ya obedecía por sí sola al principio de relatividad. La sorpresa es que para obtener una mecánica que obedezca el principio de relatividad junto con el electromagnetismo, necesita una nueva mecánica con características adicionales como el aumento de masa relativista.

Finalmente, volviendo al primer punto, definir la velocidad unidireccional de la luz como c solo es posible o sensible porque la velocidad bidireccional es independiente del observador en el sentido anterior. Siempre puede establecer que la velocidad de la luz de A a B sea c, pero una vez hecho esto, la velocidad de B a A no será en general c a menos que se aplique el negocio bidireccional.

Simplemente porque lo es, me temo. Históricamente, cuando las cuatro ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell se desarrollaron experimentalmente, se descubrió que una “solución” para estas ecuaciones era de una forma reconocida por la teoría de ondas, lo que sugiere que los campos eléctricos y magnéticos podrían unirse para producir un ola que se propagaría hacia afuera. En particular, tales ondas se propagarían a una velocidad dictada por un par de constantes derivadas experimentalmente. Esta tasa coincidió estrechamente con las estimaciones experimentales de la velocidad de la luz, por lo que se identificaron ondas de luz y “electromagnéticas”.

El problema era que no había nada en las ecuaciones de Maxwell para explicar el movimiento relativo entre el emisor y el receptor; solo había este número fijo. Se pensó que esta velocidad debe ser relativa a algún “éter” fijo, a través del cual todo se mueve. Sin embargo, los intentos de determinar nuestra velocidad a través del éter comparando la velocidad observada de la luz en diferentes direcciones no produjeron ningún resultado; la luz simplemente se negó a depender del marco de referencia.

Lo que hizo Einstein fue, por lo tanto, decir “OK, la velocidad de la luz es constante en cada marco de referencia, ¿qué podemos deducir de eso?” Y esto se convirtió en la teoría especial de la relatividad. Se resume en dos postulados: 1) La física se comporta igual para los observadores en cualquier marco de referencia inercial, y 2) La velocidad de la luz es independiente del marco de referencia.

Entonces, la razón por la que es independiente del marco es que la independencia del marco es uno de los supuestos fundamentales de la física. Si alguna vez se observa que hace algo diferente, necesitaremos encontrar otro en su lugar.

Por cierto, hay algunos (incluido yo) que no les gusta el nombre de “relatividad”. Esto se debe a que el postulado 1 anterior, que se relaciona con el movimiento relativo de los objetos en diferentes marcos, ha existido durante siglos. El postulado 2 es nuevo: la velocidad de la luz NO es relativa, sino absoluta. Entonces “absolutividad” podría haber sido una mejor opción.

“Por qué” no es una pregunta que la física pueda responder. La única respuesta a “Por qué” es “Porque funciona”. En este caso, eso significa que cuando medimos la velocidad de la luz en diferentes marcos de referencia, encontramos que siempre son constantes. Además, tomar esto como un hecho nos permite derivar una relatividad especial que hace muchas predicciones adicionales que también se verifican experimentalmente.

Entonces, la conclusión es que la respuesta a “Por qué” es porque se ha verificado de forma independiente, experimental y repetida en muchas situaciones diferentes.

Posiblemente porque es la única constante universal conocida con la dimensión de la velocidad. Cualquier constante, que dependa del marco de referencia, puede usarse para distinguir entre los marcos y definir uno “privilegiado”. Como parece, la naturaleza conspira para que no haya marcos de referencia privilegiados. Por lo tanto, la velocidad de la luz debe ser la misma en todos ellos.

Un gran comienzo es el experimento de Michelson-Morley.

Luego mire la serie de espacio-tiempo de PBS sobre relatividad general en YouTube.

Se llama postulado porque no hay una justificación absoluta para ello: todos los demás razonamientos surgen de él.

Dicho esto, no se necesita un salto de imaginación. No pienses en “la velocidad de la luz”: piensa en la constante universal c . ¿Por qué debería depender una constante universal de la velocidad del cuadro desde el que se mide? No pienses en c es una velocidad. Es una constante universal que tiene las unidades m / s, y, siguiendo las leyes de la relatividad, simplemente resulta que todas las partículas sin masa están atrapadas para tener una velocidad numéricamente igual a c.

Una vista alternativa; Todo el espacio, fuera de las partículas de materia 3D básicas, está lleno de un medio universal que lo abarca todo, estructurado por cuantos de materia. El medio universal crea y sostiene los corpúsculos de luz (fotones) y los mueve a la mayor velocidad lineal posible (por lo tanto, constante), sin descomponerse. La velocidad de la luz es con respecto al medio universal circundante y depende de la naturaleza (densidad de distorsión) del medio universal. Cualquiera que sea la naturaleza del medio universal en una región, la velocidad de la luz seguirá siendo la misma con respecto al medio universal en esa región. Cada cuadro de referencia tiene una naturaleza diferente del medio universal (la dirección de las distorsiones y la densidad de distorsión son exclusivas de cada cuadro de referencia). Sin embargo, el medio universal mantiene constante la velocidad lineal de la luz con respecto a cada uno de estos (diferentes) marcos de referencia. Por lo tanto, la velocidad de la luz es independiente del marco de referencia utilizado. Para más detalles, ver: ‘MATERIA (reexaminada)’.

La velocidad de la luz que emana de un objeto determinado, medida por mí, es la misma que la medida por usted, a pesar de que usted y yo podríamos estar moviéndonos uno con respecto al otro. Por lo tanto, sugeriría que hay un marco de referencia y es usted, el observador.