Lo que estás preguntando aquí es esencialmente ” ¿cuál es el punto de la física teórica, cuando ya tienes una teoría? “.
Es una buena pregunta: al principio, pensarías que cuando los físicos teóricos hayan presentado una teoría, ¡eso es todo, el trabajo está hecho! Pero no es exactamente el caso …
Cuando tienes una nueva teoría, lo primero que haces con ella es comprobar que reproduce toda la evidencia experimental que ya tienes .
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Por lo tanto, como estudiante, cuando aprende por primera vez la relatividad general, casi lo primero que hace es comprobar que produce la gravedad newtoniana como un caso limitante .
Si su nueva teoría no logra hacer esto, entonces puede descartarla de inmediato: una teoría que no puede predecir cosas fáciles , ¡no será de mucha utilidad!
Afortunadamente para nosotros, la Relatividad General produce todo lo que hace la Gravedad Newtoniana, y también (por construcción) produce todo lo que hace la Relatividad Especial en las circunstancias apropiadas.
OKAY. Pero la cuestión es que hay muchas teorías que hacen esto. ¿Cómo se nota la diferencia entre ellos?
Bueno, ahí es donde entra el siguiente paso de la física teórica: su teoría debe hacer nuevas predicciones comprobables .
Eso significa que su teoría debe producir todo lo que la vieja teoría explicaba, y algo que la vieja teoría no produjo . Y no solo eso, ¡debes probar esta predicción *!
Hay tres “pruebas clásicas” de relatividad general: estas son predicciones que se hicieron en 1915 o poco después y que luego se validaron con evidencia.
Primera prueba: La precesión del perihelio de Mercurio.
Este es un poco extraño, porque la evidencia experimental en realidad fue anterior a GR por varias décadas, pero nadie había podido explicarlo de antemano.
La órbita de todos los planetas está perturbada por la existencia de los otros planetas, y los astrónomos en el siglo XIX lograron calcular esto con un alto grado de precisión, ¡pero Mercurio no se ajustaba a los datos! Hubo 43 segundos de desviación de arco adicionales cada siglo, y nadie sabía por qué . Algunas personas dijeron que venía de otro planeta, dentro de la órbita de Mercurio (¡pero nadie podía verlo!)
GR casi trivialmente produce una predicción de que la órbita de un objeto en la órbita de Mercurio, para una estrella de nuestro tamaño, debería preceder por un extra de … .43 segundos de arco por siglo.
¡Aquí hay una foto mía haciendo ese cálculo exacto!
Segunda prueba: desviación de la luz por el sol
En la mecánica clásica, la luz no tiene masa y, por lo tanto, no se ve afectada por la gravedad. Sin embargo, en GR, debido a que la gravedad se trata como una propiedad geométrica del espacio-tiempo, predice que la luz debería doblarse alrededor de objetos masivos .
Ahora, esta flexión es pequeña , por lo que no la notamos en las escalas diarias.
Pero durante un eclipse el 29 de mayo de 1919, Arthur Eddington (entre otros) pudo medir el movimiento aparente de las estrellas a medida que el sol desviaba su luz.
Esta noticia fue noticia en todo el mundo, y es el origen de un famoso comentario de Einstein cuando se le preguntó qué habría hecho si el resultado no se hubiera demostrado consistente con GR, respondió:
“Entonces sentiría lástima por el querido Señor. La teoría es correcta de todos modos.
Tercera prueba: Gravitational Redshift
Muchas personas están familiarizadas con la idea del cambio Doppler (¡el ruido nnnneeeeAAAaaaaawwwww que hace una sirena cuando pasa junto a ti, por ejemplo!)
Pero GR predice que hay otra cosa que puede desplazar al rojo a los fotones, y que está saliendo de un pozo de gravedad .
A medida que la luz se mueve hacia arriba, fuera de la superficie del planeta, debería (según GR) perder energía y, por lo tanto, volverse “más roja”.
Tomó muchos años para proporcionar evidencia concluyente de esto: 1959, utilizando una torre en Havard como la parte superior e inferior de su experimento.
** **
[matemáticas] ~~~ [/ matemáticas]
[matemáticas] ~~ [/ matemáticas]
Bien, eso está muy bien: los teóricos se sentaron e hicieron sus predicciones.
Los experimentadores salieron y probaron esas predicciones, ¡genial! ¡GR hace predicciones precisas!
…
¿Ahora que?
Bueno, aún no ha terminado! No hemos demostrado que la Relatividad General sea cierta , nunca podemos “probarla”.
Todo lo que podemos decir es “¡aún no lo hemos roto!”
Con ese fin, los físicos tienen dos vías potenciales para continuar la investigación:
- Encuentre otra teoría que funcione tan bien como GR y produzca cosas nuevas
- Esto es cosas como la teoría de cuerdas, las teorías cuánticas de la gravedad, etc.
- Romper la teoría actual
Esa viñeta inferior es realmente importante.
Es el quid de la ciencia moderna: ¡es el trabajo de todo científico tratar de romper sus teorías actuales!
Probamos constantemente nuestras teorías, una y otra vez, de tantas maneras diferentes como podemos imaginar, con la esperanza de que tal vez, solo tal vez , descubramos una inconsistencia entre el experimento y la teoría.
Esto involucra tanto a los teóricos como a los experimentales: los teóricos miran la teoría y piensan en nuevas predicciones que implica, y los experimentadores salen y prueban esas predicciones.
Las unidades Alcubierre y Wormholes son parte de este proceso .
Algunos teóricos se han sentado en una habitación oscura y polvorienta, pensando en cosas nuevas e inteligentes que la Teoría de la Relatividad General te permite hacer.
Están buscando un nuevo fenómeno que salte de la teoría, como lo hace el desplazamiento al rojo gravitacional, que luego pueden entregar a los chicos experimentales, para probar y probar.
El objetivo final es que los teóricos predigan algo, y luego los experimentadores encuentran que lo opuesto es cierto . Esto sería algo asombroso para la física: en este momento, la teoría solo parece romperse en los bordes de los agujeros negros y al comienzo del universo.
Si podemos encontrar otro lugar donde la teoría no funcione, ¡podría permitir nuevas vías de investigación!
Es uno de estos grupos que predijo que ciertos arreglos de materia exótica *** le permitirían viajar más rápido que la velocidad de la luz (más o menos), y otro que predijo que usando las mismas cosas, puede construir agujeros de gusano estables.
Estas son predicciones teóricas de GR, y un día, podríamos ser capaces de probarlas. Si no podemos viajar a la próxima galaxia, ¡entonces sabemos que la teoría debe romperse!
Es por eso que las personas todavía están sentadas frente a las pizarras blancas y frente a las simulaciones por computadora, aún resolviendo todas las implicaciones teóricas de GR.
Porque … bueno, ¡ eso es lo que hace que la ciencia funcione!
Si dejáramos de trabajar en una teoría tan pronto como tuviéramos una vaga confirmación de ella, todavía estaríamos atrapados en la física newtoniana: sin computadoras, sin televisores … y lo peor de todo: ¡ no hay Quora para escribir sobre todo!
* Este paso es la razón por la cual muchas personas son tan escépticas acerca de llamar a la teoría de cuerdas “física real”; las predicciones que hace no se pueden comprobar (todavía).
** Algunas personas (es decir, mi profesor) también usan Shapiro Delay como una cuarta prueba clásica; algunas personas agrupan esto con “pruebas modernas”
*** Lo que probablemente no existe, pero eso no viene al caso
