¿Hay alguna evidencia reciente para el segundo postulado de la relatividad especial?

Cada postulado de la relatividad especial se basa en el experimento. Hay tres (no estoy seguro de la pregunta a la que te refieres):

  1. Todos los marcos inerciales son equivalentes: no hay forma, incluso en principio, de llevar a cabo un experimento (advertencias habituales, sala cerrada, etc.) para determinar si el laboratorio se mueve en línea recta a velocidad constante o está parado.
  2. La velocidad de la luz es constante en todos los cuadros.
  3. La transformación [matemática] L (v) [/ matemática] entre mapas espacio-temporales de marcos inerciales es lineal e invertible, y [matemática] L (-v) = L ^ {- 1} (v) [/ matemática].

(1) no se verifica simplemente por experimento, sino que es una experiencia común. Cuando esté sentado en un avión que viaja a 800 km / h, podría estar sentado en una silla incómoda en el área de espera; la sala en la que está leyendo esto viaja a varios cientos de metros / segundo con respecto al centro de la Tierra; a 30 km / s con respecto al sol; 230 km / s alrededor del centro de la Vía Láctea; 600 km / s hacia el Grupo Hydra. Y sin embargo, afirmas estar inmóvil, y de hecho lo estás. Si desea saber qué tan rápido va en este momento, consulte https://astrosociety.org/edu/pub….

(2) Es una consecuencia de las ecuaciones de Maxwell. Esta es una teoría increíblemente exitosa del electromagnetismo, y sus predicciones (y, por lo tanto, la teoría misma, y ​​también sus consecuencias) se han verificado experimentalmente muchas veces. Las ecuaciones de Maxwell predicen que la luz viaja como una onda, con una velocidad específica. Tan pronto como se dio cuenta de esto, hubo una contradicción inmediata con el postulado (1), ya que el postulado (1) se puede leer “toda velocidad es relativa”. Las dos alternativas eran que la velocidad de la luz era constante en todos los cuadros, o que la Tierra se movía con respecto al cuadro en el que viaja la luz (“el éter luminífero”). El experimento de Michelson-Morley descartó definitivamente el último, lo que significa que el primero, la velocidad de la luz es constante en todos los cuadros, debe ser cierto.

(3) Es un poco técnico, pero es menos complejo de lo que parece. Un “mapa de espacio-tiempo” para un observador es la forma en que ese observador asigna valores de tiempo y distancia a los eventos, y la transformación entre mapas de espacio-tiempo es solo la función que relaciona el mapa de un observador con otro. La transformación de Lorentz es la transformación entre mapas de espacio-tiempo de diferentes marcos inerciales. Todo el postulado (3) realmente dice que si Bob, Alice y Carol se mueven en línea recta a velocidad constante, entonces cada uno acepta que los otros dos se mueven en línea recta a velocidad constante, y que si Bob se mueve a velocidad [ matemáticas] v [/ matemáticas] con respecto a Alice, y Carol se está moviendo a la velocidad [matemáticas] -v [/ matemáticas] con respecto a Alice, entonces Bob está inmóvil con respecto a Carol. Lo cual, nuevamente, es una experiencia común.

… el hecho de que las predicciones relativistas funcionen es una evidencia bastante buena.

Lo que sucede con la ciencia es que las matemáticas (la herramienta que utilizamos para formalizar nuestras descripciones) pueden describir un número infinito de universos: cada universo posible puede ser descrito por las matemáticas.

Entonces, ¿cómo podemos decidir en cuál de estos universos vivimos?

Bueno, la ciencia básicamente sigue este proceso:

  1. Adivina en qué “universo” vivimos
  2. Usa esa suposición para extraer un modelo matemático
  3. Usa ese modelo para hacer predicciones sobre nuestro universo
  4. Prueba esas predicciones
  5. Si 4 falla, regrese a 1 y comience de nuevo
  6. Si 4 no falla, sigue refinando el modelo y pasa a 3

El paso 1 es básicamente decidir qué postulados desea utilizar: el primer paso para la relatividad especial es asumir el postulado newtoniano y el postulado de la velocidad de la luz.

La validez de estos supuestos está determinada completamente por el éxito de los siguientes pasos.

Si sus suposiciones conducen a un modelo que hace predicciones precisas y útiles sobre el universo, ¡entonces sí! ¡Eran predicciones útiles!

Si no tienen buenas predicciones, entonces debes tirar el modelo, o solo usarlo en el reino donde hace buenas predicciones.

La relatividad especial es muy exitosa en su ámbito de aplicabilidad (como un caso limitante de la relatividad general también exitosa).

Entonces, la única prueba de que es una suposición “buena” es que las predicciones de GR y SR coinciden con lo que observamos en nuestro universo.

Entonces, el hecho mismo de que los físicos puedan usar el modelo que resulta de estos postulados para hacer predicciones asombrosamente precisas (como las ondas gravitacionales de billones de millas de distancia), es evidencia de que el postulado es muy útil.

Esto es aparte del hecho de que podría ir y tomar medidas directas: solicite a diferentes observadores que midan el tiempo de tránsito de un pulso de luz y la distancia recorrida (en su propio marco de referencia) y vean si sus resultados coinciden.

El segundo postulado dice que algo como la velocidad de la luz (ondas electromagnéticas) en el vacío es constante. Supongo que de ahí viene “c”. Lo que realmente significa es que el observador siempre medirá la velocidad de la luz en 299,792,458 m / seg incluso (!) Si se está moviendo hacia la fuente de luz o si trata de escapar de ella. Cualquiera que sea el movimiento del observador (sin aceleración, sin gravedad), la velocidad medida siempre será la misma.

Ahora, ¿cómo podemos probarlo? Podríamos hacer mediciones directas, por supuesto, pero no serían tan precisas y queremos saber qué tan precisa es esta suposición.

La forma más fácil de hacer esto es mirar supernovas. Son grandes estrellas viejas que acaban de utilizar todo su combustible nuclear en su núcleo y, al igual que la fusión de los núcleos atómicos, también detiene la producción de energía. Y fue esta energía la que trató de volar la estrella (funciona de manera muy similar a la bomba H) pero, por supuesto, la gravedad siempre trata de tirar del material de la estrella hacia la región central. Entonces, siempre que haya fusión en el núcleo, estas fuerzas se equilibran entre sí (también se necesita una retroalimentación negativa). El resultado es una hermosa estrella con forma de bola.

Ahora, cuando la fusión se detiene, la gravedad aún está allí, por lo que la estrella comienza a colapsar (cada parte de ella atrae de manera garvitacional a las otras partes y, como resultado neto, comienza a encogerse en una bola cada vez más pequeña de temperatura y densidad cada vez mayores). Ahora, cuando la densidad en la región central es increíblemente alta, se produce un retroceso y el núcleo contraataca y lanza todo el material al espacio. Lo que queda es solo una pequeña porción de la masa de la estrella original y eso se llama estrella de neutrones (o agujero negro si la masa restante está por encima de 2 masas solares).

¿Qué tan rápido vuelan partes de la estrella hacia el espacio vacío como resultado de esta gigantesca explosión? Si le preguntas a Douglas Adams, es la mitad de la velocidad de la luz (0.5 c), pero si le preguntas a un físico, tal vez sea el 3% de la velocidad de la luz. Por cierto, la velocidad a la que una bomba de hidrógeno comienza a explotar antes de que el aire la desacelere. A esa velocidad podrías cruzar el océano Atlántico en medio segundo, es así de rápido.

¿Por qué es importante esta velocidad para nosotros?

Supongamos que la velocidad de la luz no es diferente a la velocidad de otras cosas (no es en cierto sentido, obedeciendo las mismas leyes de la física) y si nos movemos hacia una lámpara, entonces la luz (los fotones) golpean nosotros a mayor velocidad y cuando tratamos de escapar, somos golpeados por fotones más lentos. Igual que con las pelotas en el patio de recreo. Entonces el segundo postulado está equivocado. No hay límite de velocidad para la velocidad de la luz. ¿Qué veríamos entonces?

Consideremos la supernova (llamada SN1987A) que explotó el 23 de febrero de 1987 en nuestra galaxia vecina llamada la Gran Nube de Magallanes. Su distancia era de 169,000 años luz, por lo que en realidad explotó hace 169,000 años, pero su luz nos ha llegado ya que tenía que viajar 169,000 años luz. Entonces, según nuestro modelo, los fotones que nos llegan desde la región que volaba hacia nosotros habrían tenido que alcanzarnos primero no solo porque estaban más cerca de nosotros (eso también sería cierto en la relatividad especial) sino especialmente porque el la fuente de luz vuela hacia nosotros a una velocidad del 3% de la velocidad de la luz). Puede que el 3% no suene mucho, pero aún así significa que a los fotones tan rápidos solo les lleva el 97% del tiempo volar hacia nosotros en comparación con los fotones emitidos por material que no voló hacia nosotros durante la explosión, sino desde nuestra perspectiva hasta el izquierda o derecha o hacia arriba o hacia abajo, por lo que su distancia queda 169,000 años luz de nosotros. El 3% de la diferencia de tiempo de vuelo para un vuelo que dura 169,000 años constituye una diferencia de 5000 años. Los primeros fotones deberían llegar mucho antes que los fotones de la región central no móvil. También podemos hacer las matemáticas detalladas (pero poco aproximadas). La velocidad normal de la luz (con una fuente de luz no móvil con respecto a nosotros) más el 3% hace 309,000 km / seg. 1 año luz es 300,000 km / s multiplicado por 86,400 (seg por día) multiplicado por 365 (días por año) = 9.46 billones de km. A una velocidad de 300,000 km / seg, tomaría 31,536,000 segundos volar esta distancia, que por supuesto es exactamente 1 año. A una velocidad de 309,000 km / s, tomaría 30,615,000 segundos. La diferencia es de 921,000 segundos o 10.6 días. Durante la distancia de un año luz, los fotones más rápidos obtendrían una ventaja de 10.6 días, al igual que los autos más rápidos llegan primero a casa si logran permanecer en el camino. Cada nueva distancia del año luz le da al fotón más rápido otra ventaja de 10.6 días. Durante el viaje de 169,000 años luz, esta ventaja sería 169,000 por 10.6 días, que son 4900 años. Así es como mucho antes deberían llegarnos los fotones más rápidos frente a los fotones emitidos por la explosión del material estelar que no voló hacia nosotros. Y no olvide que el material estelar que explotó de una manera que voló lejos de nosotros podría emitir fotones en nuestro modelo a una velocidad de 0.97c porque la fuente de luz está volando lejos de nosotros a la velocidad del 3% de “c”. Por lo tanto, su velocidad sería de 291,000 km / seg y los 169,000 años luz tardarían 4900 años más en viajar que el material que no se mueve con respecto a nosotros.

Para resumir, la primera luz de la supernova nos golpearía proveniente del material que vuela hacia nosotros y los últimos fotones vendrían del material que vuela lejos de nosotros como resultado de la explosión y el período entre estos dos sería 9800 años. Tenga en cuenta que no sería un paquete de fotones que llegara 4900 años antes de febrero de 1987, luego otro en febrero de 1987 y luego otro 4900 años después de 1987, pero parecería una llegada continua de fotones de material que vuela a varias velocidades en relación con nosotros.

En realidad, vemos la supernova por primera vez en febrero de 1987 y fue visible durante unos pocos meses en lugar de diez mil años (por supuesto, los telescopios podrían verla mucho más tiempo). E incluso la atenuación continua de la explosión se explica bien por cómo debería ocurrir una explosión y no tiene nada que ver con la velocidad de la luz. Tal vez las primeras horas o minutos podrían ser inciertos y eso limitaría nuestro modelo muy en serio. Significaría que, incluso si la velocidad de la luz no es una constante en el vacío y depende del movimiento relativo de la fuente de luz y del observador, esta dependencia no puede ser mayor de lo que medimos: máximo unas pocas horas en lugar de unos pocos miles de años. . Eso prueba que la afirmación c = constante es al menos 99.9999% verdadera.

Ahora, ese no fue exactamente el resultado experimental más reciente, pero Einstein ni siquiera tuvo acceso a este. Hubo supernovas explotando en 1054 y 1576 y 1604 en nuestra propia galaxia (Vía Láctea) visibles a simple vista (justo antes de que se construyeran los telescopios) y mostraron la misma iluminación instantánea y atenuación lenta en una patrón de uno o dos años, pero a la edad de Einstein nadie sabía cómo funcionan las estrellas, cómo están muriendo y qué tan lejos están.

A partir del cálculo de SN1987A, resultó evidente que cuanto más lejos esté la fuente de luz en explosión, mayor será la diferencia de tiempo entre los fotones que llegan en nuestro modelo (en el que c no es constante). O, en otras palabras, si no vemos una llegada tan prolongada de fotones, entonces el postulado constante c = de relatividad especial puede confirmarse experimentalmente con mayor precisión. (Me pregunto si la palabra confirmar es buena para un postulado o debería decir justificar).

Ahora vemos explosiones que están más lejos que 169,000 años luz. Claro que si. Lo más lejos que hemos visto hasta ahora fue a unos 8,000,000,000 años luz de distancia. Tales eventos lejanos (también muy lejanos en el pasado) prueban que la precisión de c = constante puede ser de 1 a 1 billón o mejor (puede buscarlo en Google).

Como nota a pie de página, la última detección de ondas gravitacionales, el 17 de agosto de 2017, permitió a los astrónomos encontrar la fuente de la onda gravitacional y fueron dos estrellas de neutrones que se estrellaron una contra la otra después de un enfoque vertiginoso. La luz de este evento se produjo 2 segundos después de la llegada de las olas y, en teoría, nuestros detectores de olas no pudieron detectar los últimos 2 segundos del choque debido a restricciones de frecuencia. Entonces, las ondas gravitacionales llegaron tan rápido como la velocidad de la luz después de viajar 130,000,000 años luz. Y es mejor que lo hagan como nuestros modelos (teoría de la relatividad) sugieren que ellos también viajan a la velocidad de la luz. Una incertidumbre de unas décimas de segundo en un período de 130,000,000 años es una precisión bastante buena.

Akos

El segundo postulado de la relatividad especial se refiere a la velocidad de la luz C, que establece que en cualquier marco de referencia inercial, la velocidad de la luz en el espacio vacío (vacío) con una velocidad definida (designada como C) es independiente del estado de movimiento. En general, la velocidad de la luz en el vacío tiene el mismo valor C en todos los marcos de referencia inerciales. ¿Ahora se confirma esto recientemente? la respuesta es sí, toda la física relativista de hoy se basa en este hecho, y C es una constante universal, su valor es 2997924580 = ~ 3 X 10 ^ 8 m / seg.

Claro, teoría del campo cuántico relativista, condensación de la materia en curvatura del espacio-tiempo representada por una función propia en la dualidad holográfica, etc.