La relatividad general (y otras teorías) cuando se demuestra que es errónea

Question

He estado viendo algunos vídeos de ciencia sobre la teoría de Einstein sobre la relatividad general y hasta hoy se ha demostrado que las predicciones basadas en sus ecuaciones se mantienen.

Mi pregunta sería: ¿qué pasa en la comunidad científica si un experimento demuestra que está equivocado (no sólo Einstein, sino incluso otras leyes y teorías de la física? ¿Nos deshacemos automáticamente de estas teorías centenarias, o se reescriben para que se ajusten al nuevo experimento, o siguen siendo las mismas, pero con excepciones?

Answer 1

Mi pregunta sería, ¿qué pasa en la comunidad científica si un experimento demuestra que está equivocado

Ya hemos visto lo que ocurre en esta circunstancia al observar lo que ocurrió con la gravedad newtoniana.

En primer lugar, mucho antes del desarrollo de la relatividad general había observaciones que no encajaban con la gravedad newtoniana. Por ejemplo, la órbita de Urano no se ajustaba a las predicciones newtonianas. Se descubrió que modificando las predicciones mediante la inclusión de una fuente de gravedad no observada, los datos podían ser forzados a ajustarse a las observaciones. Las observaciones posteriores confirmaron el planeta Neptuno. Como otro ejemplo, la órbita de Mercurio tampoco se ajustaba, y se propuso un planeta adicional similar llamado Vulcano. El planeta Vulcano nunca fue observado por otros medios.

Ahora bien, después se desarrolló la relatividad general. Explicó la órbita de Mercurio sin necesidad de Vulcano. Además, se predijeron y descubrieron muchos otros fenómenos. Muchos de estos fenómenos no fueron predichos por la gravedad newtoniana o se predijo un valor equivocado. A través del curso de estas observaciones, la gravedad newtoniana fue explícitamente falsificada.

Sin embargo, tras la falsificación de la gravedad newtoniana, se siguió enseñando en las escuelas. El programa espacial Apolo y otras naves espaciales llegaron con éxito a su destino utilizando la teoría de la gravedad newtoniana falsificada.

La cuestión es que, aunque la teoría fue falsificada, también había sido verificada durante siglos y nada de esa verificación fue eliminada por la falsificación. La gravedad newtoniana siguió prediciendo con exactitud todos los fenómenos que había demostrado predecir con exactitud. Si sólo te interesan los fenómenos previamente verificados, puedes seguir utilizando la gravedad newtoniana con confianza, y hay un fuerte incentivo para hacerlo porque es computacionalmente mucho más simple que la relatividad general.

Así que, en algún momento, cuando un experimento falsifique la relatividad general, se buscarán nuevas fuentes y, si no se encuentran, eso pondrá límites a su dominio de validez, pero no revertirá ninguna de las pruebas que la validan dentro de su dominio de validez. Además, al igual que la relatividad general necesitaba reducirse a la gravedad newtoniana en el dominio apropiado, cualquier teoría futura necesitará reducirse a la relatividad general en el dominio apropiado.

Si la futura teoría es computacionalmente más difícil que la relatividad general, entonces seguiríamos utilizando la relatividad general igual que hemos seguido utilizando la gravedad newtoniana. Por lo tanto, es de esperar que los futuros estudiantes aprendan la relatividad general de la misma manera que los actuales aprenden la gravedad newtoniana. La relatividad general no desaparecerá, ni siquiera después de ese experimento

Answer 2

Palabras como "probado" y "erróneo" deben usarse con cuidado en este contexto. Es más significativo hablar de "precisión" y "límites". Si mañana se realizara un experimento que contradijera la relatividad general, esto no haría de ninguna manera que la relatividad general fuera una teoría inútil, ni nos desharíamos de ella.

El objetivo de las teorías en física no es "demostrar" nada sobre el mundo real. Ni siquiera son capaces de hacerlo. Su objetivo es predecir con la mayor precisión posible el resultado de los experimentos.

Por supuesto, si llega un momento en que una predicción de la relatividad general no se encuentra en la naturaleza, la reacción más probable será intentar reconciliar la teoría con el experimento, en lugar de desecharla y empezar desde el principio.

Answer 3

Es probable que cada teoría física actualmente aceptada acabe siendo "errónea" a alguna escala. Pero todas sus predicciones ya han sido verificadas experimentalmente un billón y pico de veces a las escalas actualmente accesibles a los aparatos que sabemos construir. Por tanto, todas estas teorías serán siempre aproximaciones válidas a "la verdad" a estas escalas, es decir, cualquier teoría más correcta desde el punto de vista fundacional se reducirá necesariamente a nuestras teorías aproximadas actualmente aceptadas a estas escalas.

Por ejemplo, la mecánica newtoniana. Si se va demasiado rápido, fracasa y es necesario recurrir a la relatividad especial. Pero $\sqrt{1-v^2/c^2}$ se reduce a $1$ cuando $v\ll c$ así que la relatividad especial se reduce a la newtoniana. O si se estudian masas muy pequeñas, vuelve a fallar y se requiere la mecánica cuántica. O si se estudian masas muy grandes, vuelve a fallar y se requiere la relatividad general.

Y ya que lo mencionas, puede que incluso la relatividad general acabe fallando. Por ejemplo, tal vez $G$ varía a lo largo de tiempos cosmológicos, lo que requeriría algún tipo de modificación de la relatividad general. Oh, y tal vez podría ser este tipo de modificación https://pubs.giss.nasa.gov/abs/ca00010g.html Pero incluso si Canuto, et al, tienen razón, la relatividad general seguirá siendo una aproximación válida en las escalas de tiempo accesibles a nuestros aparatos actuales.

Answer 4

No se puede demostrar que una teoría es errónea, porque una teoría es como una visión del mundo. Afirmar que se puede demostrar que una teoría es errónea es como afirmar que el concepto de "color" o "velocidad" es erróneo. Por supuesto, las teorías pueden ser incoherentes, pero entonces se rechazarían al instante.

Ahora bien, las teorías de la física siguen conectadas a la "vida real" con lo que se llama un modelo. Para entender la diferencia entre una teoría y un modelo, una buena analogía es pensar en una teoría como las reglas de un juego, y en un modelo como el propio juego (es decir, un juego concreto que está sucediendo con todas sus especificidades, elecciones, etc.). El propio juego está limitado por las reglas del juego, y es lo que es tangible o "medible". Nunca se "miden" las reglas de un juego, como nunca se "mide" una teoría. Como mucho, se puede "medir" un modelo de una teoría.

Obviamente, algunas propiedades de una teoría son universalmente verdaderas, en el sentido de que son verdaderas en todos los modelos, pero nunca es fácil concluir que lo que has medido es lo que crees que has hecho.

¿Por qué es así? Sencillamente, porque hay una gran diferencia entre el modelo abstracto que escribes en tu papel en un marco teórico determinado (digamos, un modelo de agujero negro en relatividad general), y un fenómeno de la "vida real".

En primer lugar, identificar el "fenómeno de la vida real" como un modelo propio que escribiste explícitamente en tu papel no es una elección. Se trata de una elección, y por elección me refiero a que alguien utilice su subjetividad para afirmar que lo que mide "en la vida real" se identifica realmente con este modelo abstracto escrito en un papel.

Ya aquí, entiendes que la gente puede objetar fácilmente que esta identificación es legítima. Puede que las predicciones de su modelo no sean erróneas, pero el fenómeno medido de la "vida real" no está representado fielmente por su modelo abstracto. Yo llamo a esto el problema de la modelización a la baja.

En segundo lugar, siempre es posible complejizar un modelo abstracto para que prediga lo que se mide con suficiente precisión. Bueno, eso es algo trivial, ya que siempre puedes añadir tantos parámetros libres como quieras, y hacer un ajuste de la curva de tu fenómeno de la "vida real". La cuestión de encontrar un modelo abstracto simple y suficientemente canónico que prediga tu fenómeno de la vida real es al menos tan difícil como el problema anterior. A éste lo llamo el problema de la modelización ascendente.

Entonces, ¿qué pasaría ahora si la predicción de un modelo abstracto no se ajusta a las medidas de un fenómeno de la "vida real"? Si las medidas contradicen una afirmación universal, suponiendo que no haya ningún error en el aparato de medición, eso "demostraría" que la teoría es errónea. Sin embargo, los físicos inteligentes nunca van a asumir eso (los estúpidos van a publicar miles de artículos sobre por qué es así, piense en el neutrino que va más rápido que c hace años). En todo caso, cuando tal afirmación universal es "rechazada" por una medida, lo primero que se les ocurre a los físicos inteligentes, es que el experimento estaba mal hecho. Lo mismo se les ocurre a los experimentalistas, por cierto. Necesitan una forma de convencerse de que su aparato es bueno, y precisamente concluyen que lo es cuando su medida de una afirmación universal (o digamos, o constante de la física) se ajusta a lo aceptado en la teoría.

¿Y si la reclamación rechazada no es universal? Bueno, la mayoría de la gente asumirá que usted cometió un error en la modelización a la baja, es decir, que "olvidó añadir algunos efectos a su modelo". Entonces intentarán añadir estos "efectos que faltan" en el modelo abstracto para encontrar una solución "tramposa" al problema de modelización ascendente. La solución es "tramposa" porque es raro que vaya a ser canónica o legítima, y de alguna manera, el modelo abstracto recién creado de tu teoría es capaz de predecir con una precisión suficientemente buena tu fenómeno de la vida real.

Entonces, ¿qué se hace para rechazar realmente una teoría, o incluso para darse cuenta de que un fenómeno que se ha medido está rechazando en realidad una teoría y no un modelo (como, por ejemplo, la materia oscura)? No hay una forma algorítmica y libre de elección para hacerlo. Estás obligado a usar tu cerebro, lo que aparentemente es difícil para la mayoría de los físicos en 2020.

Answer 5

En 2011, el experimento OPERA afirmó haber detectado neutrinos que viajaban más rápido que la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad de Einstein no permite que las partículas con masa viajen más rápido que la velocidad de la luz, por lo que este experimento violaba su teoría de la relatividad.

Lo que sucedió posteriormente, se describe en este un resumen realmente excelente que ofrece una línea de tiempo de toda la discusión y los experimentos posteriores que se hicieron.

No voy a repetir ese artículo aquí, pero esto es lo esencial:

• Primero: La atención que reciba el resultado dependerá de la credibilidad del experimento (¿fue hecho por físicos "de sillón" que no tienen credenciales en física, como estos médicos que publicaron un artículo hace dos semanas en la revista Macedonian Journal of Medical Sciences diciendo que hay un agujero negro en el centro de la Tierra? ). El experimento anómalo OPERA fue una colaboración entre el CERN y el LNGS que llevaron a cabo físicos muy reputados, por lo que la "violación" de la teoría de la relatividad de Einstein tuvo una gran repercusión mediática.
• Pero a continuación, el experimento tiene que ser reproducible para que se le tome lo suficientemente en serio como para descartar una teoría tan exitosa como la relatividad. Dado que la teoría que se viola en este caso (la teoría de la relatividad) es una piedra angular tan importante de la física moderna, y que el experimento era extremadamente caro, antes de que todo el mundo empezara a intentar replicar los resultados experimentalmente, el grupo de investigación OPERA hizo un intento de "réplica interna". En este caso, los neutrinos parecían viajar aún más rápido que en el primer experimento, lo que significa que la velocidad de la luz fue superada por más de lo que pensaban en un principio.
• Aun así, el resultado era demasiado caro para reproducirlo por completo en otro lugar, por lo que el grupo OPERA evaluó con más detenimiento las posibles fuentes de error. Después de tener en cuenta dos fuentes de error adicionales (un enlace suelto entre el reloj maestro y el receptor GPS, y un reloj en una placa electrónica que marcaba más rápido que los 10 MHz previstos), se descubrió que el experimento no detectó nada que viajara más rápido que la velocidad de la luz .
• ¿Qué pasaría si el análisis de errores siguiera dando como resultado que la velocidad final es mayor que la de la luz? Hay muchas posibilidades:
  • Los científicos intentarían reproducir el experimento externamente (por ejemplo, un grupo diferente de científicos de una institución diferente, incluso de un país diferente, podría intentar reproducir el experimento).
  • En el caso del experimento OPERA, probablemente sería demasiado costoso para otro país crear un detector para volver a realizar este experimento, por lo que los científicos tratarían de pensar en formas de reproducir el resultado de otras maneras. Por ejemplo, si pueden reproducir los aspectos "esenciales" del experimento, sin el mismo montaje exacto, que probablemente sea más elaborado, ya que el experimento original se hizo en realidad para un objetivo final diferente (el propósito del experimento original no era detectar neutrinos que viajaran más rápido que la velocidad de la luz, lo que se descubrió sólo por "accidente").
  • Mientras tanto, los teóricos de todo el mundo estarían ideando posibles explicaciones de por qué se detectó que la velocidad era superior a la de la luz.
  • Si todos los experimentos confirman que el resultado es reproducible, y ningún teórico es capaz de ofrecer una explicación para esto que sea consistente con la teoría en cuestión (en este caso la teoría de la relatividad actualmente aceptada), entonces se explorarán modificaciones de la teoría original, y teorías completamente nuevas que sean consistentes con todos los demás resultados experimentales.

Algunos pasos de la secuencia anterior pueden variar, dependiendo del tipo de experimento, de su escala y de la teoría que se viole.