¿Es el segundo postulado de Einstein ' s relatividad especial un axioma?

Question

Estoy tratando de captar Einstein, la teoría de la relatividad especial y parece que no puede encontrar una respuesta clara de por qué Einstein concluyó que la velocidad de la luz es constante para los observadores en diferentes marcos inerciales.

1. A veces he leído que es por el experimento de Michelson-Morley. Pero eso sólo demuestra que no hay aether/medio para que la luz viaje a través de.

2. A veces he leído que se deriva de las ecuaciones de Maxwell. Yo todavía necesidad de estudio de esas, así que no puedo juzgar acerca de eso.

3. Y a veces he leído que es un axioma de que tenemos que aceptar.

Así que ¿cuál es la respuesta correcta?

Answer 1

Todos los de arriba. Vamos a examinar en turno:

1. A veces he leído que es por el experimento de Michelson-Morley. Pero eso sólo demuestra que no hay aether/medio para que la luz viaje a través de.

Esto parece un poco de atrás hacia delante manera de mirarlo. Lo que el experimento de Michelson-Morley muestra es que el viaje de ida y la velocidad de la luz es constante en todas las direcciones, y no cambiar a medida que la Tierra se mueve alrededor del Sol. De esto podemos concluir que el éter luminoso teoría es incorrecta, ya que se predice que la velocidad de la luz sería diferente dependiendo del movimiento de la Tierra respecto al éter. Pero la real de la medición , básicamente, dice que la velocidad de la luz no depende del marco de referencia, al menos para los observadores fija a la superficie de la Tierra.

(De hecho, uno no puede ni siquiera realmente a la conclusión de que no existe el éter, ya que las mediciones también podría ser explicado por la Tierra arrastrando el éter alrededor con ella de alguna manera. Creo que esto fue considerado seriamente en el tiempo. La teoría del éter es descartado por el desarrollo de la relatividad especial y general y el mucho mejor las predicciones que hacen, no por el experimento de Michelson-Morley).

Cabe señalar que el mismo Einstein dijo que el experimento de Michelson-Morley no fue una gran parte de su propia motivación personal, como se cita en escala de Grises de la respuesta. En cambio, su principal motivación era hacer con las ecuaciones de Maxwell como se describe a continuación. Pero, evidentemente, la idea de marco de invariancia estaba "en el aire" en el tiempo, y de tanto experimento de Michelson y Einstein fueron influenciados por ideas comunes. (De hecho, Lorentz ya había trabajado fuera de la matemática de la duración de la contracción y la dilatación del tiempo, pero los interpreta como fenómenos físicos en lugar de observador-dependiente. Así que hay un montón de otras personas que trabajan en este tipo de ideas en ese momento.)

2. A veces he leído que se deriva de las ecuaciones de Maxwell. Todavía tengo que estudiar esos, así que no puedo juzgar acerca de eso.

Esto es cierto también. El punto es que si usted asume la invariancia de Galileo (es decir, si usted no asume la relatividad, pero se asume que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores), entonces es posible tener un observador que se mueve a la velocidad de la luz. Si un observador que viaje en paralelo a una onda de luz, a continuación, podían ver a los campos eléctricos y magnéticos que varían sinusoidalmente en el espacio, pero no cambiar con el tiempo. Pero tal congelado onda de luz no es una solución a las ecuaciones de Maxwell, por lo que hay una paradoja.

Uno de Einstein principales motivaciones fue para resolver esto, es decir, para expresar las ecuaciones de Maxwell en forma tal que puedan ser válidos para todos los observadores inerciales, en lugar de sólo ser válido para un observador "en reposo".

3. Y a veces he leído que es un axioma de que tenemos que aceptar.

Esto es cierto también. La teoría de la relatividad especial es muy matemáticamente elegante en el que se requiere muy pocos supuestos. Si usted hace esta suposición (y algunas otras muy mínimo), luego el resto de la teoría de la siguiente manera, tanto como si usted asume Euclides los axiomas de entonces se puede derivar de Pitágoras teorema.

Si eres un matemático puro, entonces eso es todo lo que necesita saber - usted no se preocupan acerca de por qué usted debe hacer los supuestos que hacer, así que les llama axiomas. Pero en la física en general, no sólo hacer suposiciones sin razón - que se hizo debido a las mediciones o debido a los agujeros en las teorías existentes. Einstein hizo la suposición de una constante de velocidad de la luz por varios motivos, pero el experimento de Michelson-Morley y el observador-la dependencia de las ecuaciones de Maxwell eran, probablemente, los principales.

Así que las tres son verdaderas. Usted puede tratar como un axioma, si usted quiere, y que es probablemente el mejor enfoque si su objetivo principal es entender las matemáticas. Pero el axioma también tiene varios física justificaciones, y eso es lo que el resto de los puntos que figuran son.

Answer 2

Ninguna de las otras respuestas parecen directamente a la dirección de la naturaleza histórica de la cuestión, en la que se pregunta por qué Einstein concluyó que la velocidad de la luz es constante para los observadores en diferentes marcos inerciales. Nota esto se aclara en los comentarios, donde el autor de la pregunta de los estados

"Es más como: hey, soy Einstein, que viven en 1905 y me acaba de llegar con mi segundo postulado. He aquí por qué.... esa es la respuesta que estoy buscando ".

Entonces, para responder...

Entre las tres opciones, es mi entendimiento de que la evidencia histórica sugiere una mezcla de la segunda y tercera opciones: Einstein tenía cierta (axiomático, si se quiere) a la convicción absoluta de movimiento, y a partir de la interacción de estas convicciones con (resultados derivados de) las ecuaciones de Maxwell, estaba motivado para crear su 1905 la teoría. Contrariamente a lo que algunas de las otras respuestas sugieren, Einstein fue motivado mucho menos por el resultado de Michelson-Morley.

Creo que esta cita de Einstein sumas todo esto bastante bien:

En mi propio desarrollo del experimento de Michelson resultado no ha tenido un considerable influencia. Yo aun no recuerdo si yo sabía de él cuando escribí mi primer artículo sobre el tema (1905). La explicación es que se me fue, por razones generales, firmemente convencido de que no existe absoluta de movimiento y mi problema era solo de cómo esto podría ser reconciliados con nuestro conocimiento de electro-dinámica. Uno puede por lo tanto entender por qué en mi lucha personal en el experimento de Michelson no jugó ningún papel o al menos no un papel decisivo.

(Énfasis añadido.)

Sin embargo, el papel que el experimento de Michelson-Morley jugado en constributing a las ideas de Einstein de 1905 papel es un tema de debate. Este trabajo se analizan algunos de los conflictos de líneas de evidencia en cuanto a lo mucho que Einstein sabía acerca del experimento de Michelson-Morley y cuánto influyó en su teoría inicial (tenga en cuenta que la cita anterior está contenido en los linked papel, así como los adicionales que pueden mejorar el rendimiento de exponer algunos de los matices de lo que contribuyó a Einstein del pensamiento).

Espero que ayude!

Answer 3

Voy a responder a la tercera pregunta planteada en la pregunta, en orden inverso, y finalmente regresar a la tercera.

3. Y a veces he leído que es un axioma de que tenemos que aceptar.

Lo que está mal con los axiomas? El mismo Einstein aparece la constancia de la velocidad de la luz como un postulado (también conocido como axioma; son sinónimos). Las leyes de Newton del movimiento son los axiomas. Hilbert sexta del problema, anunció en 1900, se abordó la necesidad de axiomatize física. No hay nada malo con los axiomas.

Al contrario; los axiomas de la física son una cosa muy buena. Ellos forman la base matemática de la que los físicos predecir los resultados de los experimentos. Uno o más de los supuestos subyacentes (otro nombre para los axiomas) son falsificados si el resultado no está de acuerdo con la predicción.

2. A veces he leído que se deriva de las ecuaciones de Maxwell. Yo todavía necesidad de estudio de esas, así que no puedo juzgar acerca de eso.

En el momento en que Einstein desarrolló la relatividad especial, las ecuaciones de Maxwell fueron consistentes con los experimentos de una naturaleza electromagnética, mientras que la mecánica Newtoniana que parecía ser incompatible con este tipo de experimentos. Este fue uno de los principales enigmas de finales de la física del siglo 19. Uno de los axiomatizations parece ser incorrecta.

Uno de los muchos rostro-valor de las consecuencias de las ecuaciones de Maxwell es que la velocidad de la radiación electromagnética (que incluye a la luz) es la misma para todos los observadores inerciales. En particular, la expresión para la velocidad de una onda de la onda electromagnética en el vacío depende ni de la velocidad de la fuente ni el receptor. Se trata simplemente de $c = 1/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}$ donde $\mu_0$ $\varepsilon_0$ es la permeabilidad magnética y la permitividad eléctrica del espacio. Einstein simplemente tomó las ecuaciones de Maxwell en el valor de cara, que la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores.

1. A veces he leído que es por el experimento de Michelson-Morley. Pero eso sólo demuestra que no hay aether/medio para que la luz viaje a través de.

El experimento de Michelson-Morley refuta la existencia de un luminiferous éter como los concebidos en el momento del experimento. Esto no refuta la existencia de un éter. La competencia axiomatization, Lorenz Teoría del Éter, desarrollado al mismo tiempo, Einstein desarrolló su teoría especial de la relatividad, mantiene el concepto de una preferido marco de referencia y de un éter. Más sobre esto más adelante.

Como en escala de Grises señaló en su respuesta, el experimento de Michelson-Morley había poca o ninguna influencia en el pensamiento de Einstein. Einstein era mucho más influenciados por el experimento de Fizeau, que miró a la velocidad de la luz en un movimiento medio como el agua que fluye. Si la mecánica Newtoniana era cierto, dicho medio debe tener un lineal afectar en la velocidad de las ondas electromagnéticas, así como el soplado de aire linealmente efectos de la velocidad de las ondas de sonido. Esto no era lo que el experimento de Fizeau encontrado. Se encontró en lugar de una relación que, después del hecho, se ha encontrado para ser consistente con la relatividad especial (y también de Lorenz Teoría del Éter).

3. Y a veces he leído que es un axioma de que tenemos que aceptar.

No es necesario aceptar la constancia de la velocidad de la luz como un axioma. Usted podría aceptar Lorenz Teoría del Éter en su lugar. Es indistinguible de la relatividad especial en términos de predecir los resultados experimentales. El problema con Lorenz Teoría del Éter es que está lleno de "żde donde viene" (WTF) supuestos. Esto hace que la duración de la contracción, dilatación del tiempo, una preferido marco de referencia, y un éter que actúa como un medio para la radiación electromagnética en el espacio vacío axiomático. Contracción de longitud y dilatación del tiempo muy bien ocultar el preferido marco de referencia y el éter de cualquier ensayo experimental, diseñado para detectar. De niza. (Que fue un sarcástico "agradable".)

La relatividad especial sólo tiene una "żde donde viene" de la asunción, la constancia de la velocidad de la luz, y que es sólo una ", "¿de dónde que viene de" asunción, porque estamos demasiado precondicionados por el pensamiento Newtoniano. La constancia de la velocidad de la luz es una cosa hermosa que habla directamente de la geometría del espacio-tiempo. En contraste, Lorenz Teoría del Éter es bastante fea cosa que falla la navaja de Occam que no hablan directamente a la matemática que subyace en el espacio y el tiempo.

Answer 4

Nathaniel responder con precisión a las direcciones de su pregunta. Me gustaría abordar sus dudas específicas.

1. A veces he leído que es por el experimento de Michelson-Morley. Pero eso sólo demuestra que no hay aether/medio para que la luz viaje a través de.

Cierto, y esto a su vez implica que la velocidad de la luz no debe ser medido con respecto al éter. Por el contrario, si $c$ tiene que tener un significado absoluto en las ecuaciones de Maxwell, entonces tiene que tener un valor absoluto, es decir, debe ser la misma en todos los marcos inerciales.

2. A veces he leído que se deriva de las ecuaciones de Maxwell. Todavía tengo que estudiar esos, así que no puedo juzgar acerca de eso.

El punto importante aquí es que puede ser derivada de las ecuaciones de Maxwell a condición de que usted sabe la correcta, las leyes de transformación entre sistemas de inercial. A su vez, Einstein derivados de estas leyes por postular la constancia de $c$. Pero aún se podría postular la transformación de las leyes, y se derivan de la constancia de $c$ a través de estas leyes o a través de las ecuaciones de Maxwell. O usted podría postular (como Lorentz hizo) que las ecuaciones de Maxwell debe ser la misma en todos los sistemas inerciales y el uso del postulado de derivar las leyes de transformación.

3. Y a veces he leído que es un axioma de que tenemos que aceptar.

Esto es generalmente lo que hacemos.

Answer 5

Usted necesita ser muy cuidadoso en cuanto a lo que te refieres por "la velocidad de la luz". De hecho hay una manera velocidades y dos vías de velocidades y tienen completamente diferentes de un estado.

• De una manera. Una señal de luz sale de $A$ tiempo $t_A$ y llega a las $B$ tiempo $t_B$, marcado por los relojes situados, respectivamente, en$A$$B$. La velocidad es, a continuación,$AB/(t_B - t_A)$.
• De dos vías. Una señal de luz sale de $A$ tiempo $t_A$, llega a un espejo en $B$ y se refleja de nuevo a $A$ donde se llega a tiempo $t'_A$, donde los tiempos son registrados por un reloj sentado en $A$. Las dos vías de velocidad, a continuación,$2AB/(t'_A-t_A)$.

La velocidad de la luz es una convención, ya que depende de cómo los relojes en $A$ $B$ están sincronizados. Las dos vías de la velocidad de la luz, por el contrario, es una auténtica físicas observables como puede ser medida. En su 1905 papel, Einstein eligió un procedimiento de sincronización de los relojes tal que el tiempo de vuelo de una señal de luz de $A$ $B$es igual al tiempo de vuelo de$B$$A$. Como resultado, el one-way velocidad de $A$ $B$es igual a la velocidad de$B$$A$, y por lo tanto también a las dos vías de la velocidad.

Su pregunta es, por tanto, mal planteado. Si usted significó la velocidad, luego de ser una convención, no podemos decir más, sin tener que elegir uno de dicho convenio. Si vamos por el método de Einstein, entonces se reduce a hablar de las dos vías de la velocidad. Pero podemos elegir cualquier otra.

Si usted quiere que las dos vías de la velocidad, entonces el experimento de Michelson-Morley muestra que es isotrópica en la superficie de la Tierra. Ahora, considere el más popular de la teoría del Éter de que el tiempo pasado: el Éter está en reposo en el marco geocéntrico, o incluso en el heliocéntrico de marco. A continuación, el M&M aparato, gracias a la Tierra a girar y girar sobre el Sol se mueve con una gran variedad de velocidades con respecto al Éter. Así que podemos decir que la isotropía de las dos vías de la velocidad de la luz que se observa en la correspondiente gran variedad de sistemas de inercial. Por lo tanto, asumiendo que es isotrópica en cualquier sistema inercial es un legítimo supuesto a hacer, a ver a dónde conduce, cuando se intenta encontrar el espacio y el tiempo de las transformaciones entre los cuadros que se diera cuenta de que. Eso es precisamente lo que Einstein hizo en su 1905 papel.