¿Por qué la teoría de la relatividad “necesita” ser cierta? ¿Podría la naturaleza haber usado otras leyes en su lugar?

En realidad, el mundo relativista es más simple que el mundo newtoniano, por lo que atrajo tanta atención antes de que hubiera evidencia experimental para apoyarlo.

Por ejemplo, considere el impulso: en el mundo newtoniano, el impulso depende del marco. El impulso de una bala de cañón es un valor diferente para una pared de ladrillos que para el Flash que lo estimula y lo saca del aire. Pero en la relatividad, el impulso de un objeto es el mismo en todos los marcos inerciales, lo que elimina una gran cantidad de equipaje para las leyes que involucran el impulso. Una vez más, en el mundo relativista, el componente de “tiempo” del momento 4 dimensional corresponde a la energía, por lo que resulta que hay una relación importante entre el momento y la energía que no se reconoció previamente. Otro ejemplo obvio es la relación entre masa y energía, E = mc ^ 2.

A medida que uno profundiza en la teoría, uno encuentra todo tipo de este tipo de relaciones que hacen que la física sea mucho más consistente internamente.

La relatividad no “necesita” ser verdad. Todo lo que podemos decir es que la relatividad es consistente con la evidencia empírica, y que podemos usarla para hacer predicciones sobre el mundo natural. De hecho, los contendientes de ‘Teoría de todo’ implican que la relatividad es una aproximación de todo el panorama.

Un problema con un espacio absoluto es que la velocidad de la luz variará en relación con los observadores que se mueven con diferentes velocidades. Entonces las ecuaciones de Maxwell, que resumen lo que sabemos clásicamente sobre el electromagnetismo, no podrían ser correctas para todos los observadores. Los experimentos realizados usando campos eléctricos o magnéticos en un lado de la Tierra darían resultados diferentes a los experimentos realizados en el otro lado. Básicamente, las cosas serían mucho más complicadas de lo que son.

Vemos y observamos. Hacemos una suposición salvaje sobre la causa de lo que vemos.
Comenzamos a probar esas suposiciones y las refinamos gradualmente para que sean menos salvajes.
Eventualmente tenemos una hipótesis que puede ser probada con cierto grado de dirección y certeza.
Finalmente tenemos una teoría que ha resistido todas las pruebas que podemos idear.

No elegimos qué leyes seguir. Solo usamos los que están allí.
Los usamos para poner a prueba nuestras ideas. Pruébelos y deséchelos o de lo contrario.

La teoría de la relatividad, ¡ambos! Han resistido la prueba de todo lo que se les ha arrojado.

Inventar una causa y luego desarrollar una teoría a partir de ella se llama religión.
La ciencia no tiene el lujo de jugar con los hechos.

Hasta donde entiendo, el principal problema de las teorías en física es que cada teoría es cierta en algún plano, pero creo que debería haber algunas reglas físicas de transformación, que se convertirán en conexiones entre diferentes niveles de la naturaleza, aunque es imposible de imaginar, pero sería genial, de lo contrario, está tan desordenado y no hay una raíz simple como 0.

Lo siguiente es solo especulativo. Leibniz no fue tratado bien en su opinión de que vivimos en el “mejor de todos los mundos posibles”, pero dado sus otros trabajos, se puede argumentar que quiso decir que la Naturaleza no tuvo más remedio que ser como es.

El argumento de que existen otros universos con otras leyes está más en el ámbito de la filosofía que en la ciencia sin justificación empírica. El argumento de que las leyes pueden evolucionar con el tiempo a lo que son ahora, no tiene una justificación empírica que conozca, pero supongo que todavía es posible que las leyes puedan cambiar “repentinamente”, de la misma manera que un sistema caótico puede cambiar de un atractor a otro. De nuevo, no hay justificación empírica. También debe reconocerse que la Ley no es el Universo, de la misma manera que la ley termodinámica no es una máquina de vapor. El Universo también tiene una estructura o sustancia sobre la cual la ley toma medidas.

Entonces, en ausencia de evidencia, estoy contento de quedarme con Leibniz: la naturaleza por alguna razón desconocida no tuvo más remedio que ser como es. El principio antrópico para mí sigue siendo un tópico insatisfactorio.

Ahora a la especulación: sospecho fuertemente en la unificación, la teoría de la gravedad cuántica en última instancia mostrará que la naturaleza está restringida a caminos de menor acción (geodésicas en lenguaje de relatividad) y que todas las demás propuestas “razonables” para leyes alternativas pueden reducirse a esta. Esta visión es bastante impopular entre los físicos porque las teorías del campo físico no pueden garantizar que se deba seguir un camino de acción mínima, aunque en la práctica para la Relatividad y la Mecánica Cuántica, de hecho, se ha seguido la acción mínima en retrospectiva. Todo lo que puedo decirles es que hay más en matemáticas que solo teorías de campo, y existen otras estructuras geométricas que admiten la relatividad y la mecánica cuántica al tiempo que garantizan explícitamente las transiciones de menor acción entre estados propios. Curiosamente, solo he encontrado un ejemplo de esto.

No, es un cambio de paradigma en el pensamiento. No hay nada en las leyes de Newton que se acerque a explicar lo que hace la relatividad.
Ha sido verificado rigurosamente por tantos científicos de muchas maneras, la probabilidad de que la Relatividad sea incorrecta se acerca a cero muy de cerca. Si la Relatividad está mal, hemos cometido tantos errores fundamentales que … no, es, a todos los efectos prácticos, imposible que esté mal.

Si bien es posible que una futura “teoría de todo” demuestre ser matemáticamente inevitable, en la actualidad no hay nada (hasta donde sabemos) inevitable sobre la relatividad general. Por lo tanto, dentro de los límites de nuestro conocimiento, es posible concebir un universo en el que se apliquen diferentes reglas.

Sin embargo, tenga cuidado con lo que desea. Usted pregunta si un universo podría ser más simple, sin requerir relatividad general. ¡La relatividad general es conceptualmente una de las teorías más simples que uno puede inventar! Después de todo, su principio principal es simplemente que todos los marcos de referencia son iguales: que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, independientemente de cómo se muevan.

Resolver los detalles puede ser difícil, en parte porque algunas de las consecuencias no tienen análogos en nuestra limitada experiencia cotidiana, en parte porque las matemáticas utilizadas para la teoría son diferentes del tipo de matemática de “escuela secundaria” que está implícitamente basada en un marco de referencia preferido que sirve de fondo en el que tiene lugar la física.

Un ejemplo perfecto de lo simple que puede ser la teoría de la relatividad es el campo electromagnético. Sus ecuaciones (las ecuaciones de Maxwell) son un poco confusas cuando las escribe de manera convencional y tridimensional utilizando las anotaciones de cálculo vectorial. Pero cuando los escribe en una forma genuinamente de cuatro dimensiones, las ecuaciones se revelan como identidades geométricas triviales.