¿Y si los fotones no son las partículas más rápidas?

Question

En un principio, Einstein pensaba que la relatividad especial se refería a la luz y a cómo ésta viajaba siempre a la misma velocidad. Hoy en día, pensamos que la relatividad especial tiene que ver con la idea de que hay algún límite de velocidad universal en la transferencia de información (y los experimentos nos dicen que los fotones, los cuantos de luz, se mueven con la mayor velocidad, $c$ ).

¿Pero qué pasa si mañana observamos una partícula $X$ que viaja con una velocidad $v>c$ ? ¿Qué cambios habría que introducir en la relatividad especial?

Answer 1

Si (y eso es un gran "si") mañana tuviéramos un $70\sigma$ detección en un experimento repetible de una partícula que viajaba más rápido que $c$ entonces una de varias cosas sería cierta.

1) Nos veríamos obligados a concluir que $c$ no es, de hecho, la velocidad límite de transferencia de información; todo lo que se basa en esta suposición tendría que ser desechado (prácticamente toda la física a nivel de investigación); y tendríamos que empezar de nuevo en el desarrollo incluso de las matemáticas que nos permiten empezar a re-describir el universo.

2) Nos veríamos obligados a concluir que $c$ no es la velocidad límite de la transferencia de información; asumiríamos que la relatividad especial y todo lo que se basa en ella es la teoría efectiva de un caso especial de leyes y comportamientos físicos mucho más amplios; y tendríamos que encontrar una forma de modificar la relatividad (y básicamente todo lo que se basa en ella) para que pueda permitir causalmente la existencia de esta partícula y que, sin embargo, todo lo demás que vemos siga funcionando básicamente bajo la idea de que $c$ es la velocidad máxima.

3) Encontramos una forma de utilizar esta partícula para comunicarnos con el pasado y el futuro, viajar más rápido que la luz, y luego nos vamos a casa cada noche y nos reímos de Einstein.

4) Realizamos el experimento miles de veces en diferentes laboratorios, encontramos el mismo resultado, luego volvemos y descubrimos que había un fallo fundamental en la teoría. Una vez corregido el fallo, vemos que en realidad no estamos observando una partícula superlumínica.

5) También descubrimos los cerdos voladores, el movimiento perpetuo, y que realmente puede creer que no es mantequilla. Entonces me despierto de mi pesadilla.

Yo apuesto por la (4), seguida de cerca por la (2) (aunque la (5) ya ha ocurrido antes).

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Nota: Esta respuesta supone que la velocidad $c$ es la velocidad máxima supuesta; la velocidad de una partícula sin masa en el vacío. Por eso no incluí la opción "determinamos que el fotón no tiene masa y entonces tenemos que cambiar el EM".

Answer 2

Pero ¿qué pasa si mañana observamos una partícula X que viaja con una velocidad V>c?

Habríamos hecho la primera observación de un tachyon .

En la relatividad especial, una partícula más rápida que la luz tendría un cuatro-momento espacial, en contraste con las partículas ordinarias que tienen un cuatrimomento similar al del tiempo. También tendría una masa imaginaria. Al estar limitada a la parte espacial de la gráfica energía-momento, podría no podría reducir su velocidad a velocidades sublumínicas.

Answer 3

Me gustaría continuar desde Jims Bond's respuesta ya completa. Supongamos que tenemos una prueba concluyente de nuestra observación de un $V>c$ y que hemos descartado la alternativa (5) de la respuesta de Jim. Estoy de acuerdo con Jim en que la siguiente alternativa más probable de Jim es:

2) Nos veríamos obligados a concluir que $c$ no es la velocidad límite de la transferencia de información; asumiríamos que la relatividad especial y todo lo que se basa en ella es la teoría efectiva de un caso especial de leyes y comportamientos físicos mucho más amplios; y tendríamos que encontrar una forma de modificar la relatividad (y básicamente todo lo que se basa en ella) para que pueda permitir causalmente la existencia de esta partícula y que, sin embargo, todo lo demás que vemos siga funcionando básicamente bajo la idea de que $c$ es la velocidad máxima.

Antes de hacerlo, la primera pregunta que me haría y la primera prueba que contemplaría es ¿cómo es que nuestro observado $V$ transformar entre diferentes observadores inerciales ? Tal vez se pruebe la ley de transformación y se descubra que es la prevista por la transformación de Lorentz. Es perfectamente posible y, de hecho, creo que es el resultado más probable. Esto significa que algunos observadores verán la partícula viajando hacia atrás. Esto significaría que las transformaciones y la cinemática de la relatividad especial podrían seguir funcionando, presumiblemente la relatividad general podría seguir funcionando (el principio de equivalencia seguiría implicando de forma significativa las vecindades locales minkowskianas de cualquier suceso espaciotemporal) pero habría al menos tres consecuencias alternativas que se me ocurren:

1. Básicamente tenemos el tachyon observación como en Respuesta de Alfred . Además, ahora hay algunas relaciones causales en nuestro universo que apuntan hacia atrás en el tiempo. Tendríamos que explicar cómo es que la mayoría de las relaciones causales en la física apuntan hacia adelante con el efecto que viene después de la causa, pero, para estas partículas particulares, esto puede ser invertido;

2. La propagación observada es real y con $V>c$ pero la secuencia de eventos que conforman la propagación observada de la "partícula" son no está relacionado con la causa . Estoy pensando en un fenómeno físico que llamo "Onda Mexicana por Arreglo Previo". Un ejemplo de un fenómeno de esta categoría es el barrido de un puntero láser a través de la superficie de la Luna desde la Tierra, de tal manera que se ve que el punto barre a mayor velocidad que $c$ (esto ocurre si barres el puntero láser de forma que su velocidad angular sea superior a unos 45 grados por segundo). Es posible que nuestra observación $V>c$ es una versión de esto. En este caso, el proceso físico implica una preprogramación fase, donde los procesos vecinos que suceden en puntos del espaciotiempo son preprogramado para que se disparen en momentos "preestablecidos" en el futuro, de modo que, cuando se disparan, el efecto es que los procesos vecinos se disparan en rápida sucesión, de modo que el efecto experimental es de un proceso que se propaga a mayor velocidad que $c$ . Pero la parte de "preprogramación" del proceso ocurre subluminalmente, y por lo tanto las relaciones causa-efecto a lo largo de la preprogramación siempre apuntan hacia adelante para todos los observadores, mientras que la propagación observada puede parecer que se propaga hacia atrás en el tiempo.

Ahora llegamos a la alternativa desagradable: nuestra partícula $V$ se observa que se transforma de manera diferentes de la transformación de Lorentz. Quizás incluso esta nueva velocidad $V$ ¡es a su vez invariante! Nos conozca $c$ es invariante experimentalmente, y esto establece la forma de la transformación de Lorentz dados unos supuestos muy básicos como el Principio de Relatividad de Galileo y las nociones copernicanas de isotropía y homogeneidad espacial. Si lo observado $V>c$ se transforma de forma diferente a la prevista por la transformación de Lorentz con velocidad invariante $c$ Entonces esto implica que algunas de nuestras suposiciones básicas sobre el universo son erróneas en algunos casos. El principio de Galileo podría estar equivocado. La homogeneidad podría ser errónea, incluso en escalas pequeñas. La isotropía podría ser errónea. Una de estas suposiciones básicas tiene que romperse.

Answer 4

El posible espacio para el desagradable escenario alternativo mencionado en la respuesta de WetSavannaAnimal ha sido trabajado en detalle en este artículo . Cuando el experimento OPERA, debido a una conexión de cable defectuosa, parecía haber visto neutrinos más rápidos que la luz, se pudo calcular que esto era imposible, porque el espacio que existe para las violaciones de la invariancia de Lorentz predeciría que los neutrinos habrían emitido radiación Cherenkov en el vacío y, como resultado, el espectro de energía tendría que haber sido afectado de una manera que no se vio, ver aquí .