¿Es realmente relativa la relatividad?

Question

Debido a la relatividad del movimiento lineal, no puedes distinguir si tu nave espacial se mueve y las estrellas están quietas o si tú estás quieto y las estrellas se mueven en dirección contraria.

Pero sabemos que tuve que quemar combustible para que mi nave espacial se moviera. Sabemos que no hay ninguna cantidad de combustible que pueda hacer que todas las estrellas se muevan en dirección opuesta. Por lo tanto, el marco de referencia en movimiento es mi nave espacial, debido a las restricciones energéticas. Así que considerando las restricciones energéticas pude determinar qué sistema de referencia era el que se movía.

EDIT: Hasta ahora sólo Dale ha entendido mi pregunta.

Answer 1

Cryo tiene razón, y ésta es una buena manera de pensar en ello. El Principio de Relatividad dice que, esté donde esté, todos los marcos de inercia tienen el mismo estatus cuando se trata de escribir ecuaciones de movimiento y, más en general, de estudiar los efectos físicos. Sin embargo, si el lugar en el que me encuentro es mi propia casa, entonces la estructura material de mi casa me proporciona una elección natural de marco de inercia que puedo preferir a todos los demás. Esto no rompe el Principio de Relatividad, que es una afirmación de que ningún experimento dentro de la casa puede decirme si la casa está o no en movimiento con respecto a algún otro marco, como el marco de reposo de la luna o una nube que pasa o lo que sea.

Ahora el universo más amplio, a mayor escala, puede servir de casa. Las estrellas lejanas están donde están. Debido a la simplicidad de su movimiento medio a gran escala (a saber, la expansión cosmológica, que es uniforme con un alto grado de precisión), constituyen un marco de referencia natural que puedo elegir si quiero. Lo que esto quiere decir es que, una vez que uno se sitúa en el universo físico real, es perfectamente posible hablar de un marco de referencia preferido. En cosmología se denomina "coordenadas comoving". Si tu nave espacial se mueve respecto a las coordenadas comoving, a una velocidad distinta a la del planeta donde partió, entonces sí que puedes deducir que sus motores se han encendido en algún momento.

Observando la radiación cósmica de fondo de microondas, se ha determinado con bastante precisión la velocidad del planeta Tierra en relación con el sistema de referencia de coordenadas comoving. Podemos decir que "la Tierra se desplaza hacia X a Y kilómetros por hora". Podría decirse que, en cierto sentido, se trata de una velocidad "absoluta", pero en el sentido técnico de los términos "relativa" y "absoluta" no lo es; es una velocidad relativa a otra cosa, a saber, la distribución media a gran escala de la materia en el universo.

Answer 2

Hay que ser muy cuidadoso a la hora de entender lo que afirma el principio de relatividad. Afirma que las leyes de la física tienen la misma forma en todas las inercial marcos de referencia.

El sistema de referencia de la nave espacial de tu pregunta no es un sistema de referencia inercial. Por tanto, el principio de relatividad no afirma que sea equivalente a los sistemas inerciales. Tienes toda la razón al señalar que es distinguible, pero te equivocas al pensar que esto supone en modo alguno una contradicción con el principio de relatividad.

Answer 3

Pareces estar diciendo que si existiera algún marco de reposo "universal" preferido, entonces podrías medir tu velocidad relativa a él, siempre que pudieras observar las señales necesarias.

Un candidato para tal marco de reposo universal, pensé, podría ser el marco de reposo CMB. Sobre este tema véase ¿Es especial el marco de reposo del CMB? ¿De dónde procede?

Pero en cualquier caso. Creo que el punto es que la relatividad especial es una teoría coherente que predice resultados observables y verificables, por lo que la existencia de algún marco de reposo universalmente observable no la invalida - la física sigue siendo tal que todas las leyes físicas son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales. Se trata de una observación empírica que sigue siendo indiscutible.

Answer 4

Un sistema de referencia inercial en física clásica y relatividad especial es un marco de referencia en el que un cuerpo con una fuerza neta nula actuando sobre él no está acelerando; es decir, dicho cuerpo está en reposo o se desplaza a velocidad constante en línea recta.

La cursiva es mía.

Tú dirás:

Debido a la relatividad del movimiento lineal, no puedes distinguir si tu nave espacial se mueve y las estrellas están quietas o si tú estás quieto y las estrellas se mueven en dirección contraria.

Si no hay fuerzas que actúen sobre la nave espacial, ésta se moverá por inercia en línea recta. Si se trata de un satélite alrededor de la Tierra, no se encuentra en un marco de inercia, ya que existe aceleración radial.

entonces dices:

considerando las restricciones energéticas pude determinar qué marco de referencia era el que se movía.

"Conocer" significa registrar el tiempo y medir el dp/dt de un marco inercial en reposo a un marco inercial en movimiento frente a otro marco inercial. Así es como hacemos física, registramos, usamos los datos para predecir nuevos marcos. PERO entre dos marcos inerciales si no hay registro de cómo se proporcionó la energía para alcanzar el movimiento de la nave espacial, no habría forma de saber si es el universo el que se mueve, o la nave espacial.

Hay que registrar en el tiempo, para que aparezca un dp/dt. No habría posibilidad de conocer la expansión del universo, si no estuviera registrada por la naturaleza en los desplazamientos doppler de los espectros, un registro natural.

Answer 5

Al suponer que se gasta energía en los viajes espaciales se está suponiendo implícitamente que la nave espacial está acelerando. Esto no es más que la ley de Newton. Este marco ya no es inercial. Por tanto, estás comparando un marco acelerado con un marco inercial. Sin embargo, nada en el principio de la relatividad te impide diferenciar un marco acelerado de un marco inercial.

Por otro lado, si hablamos de una nave espacial que se mueve uniformemente, entonces es perfectamente correcto considerar que cualquiera de ellas se "mueve".

$\underline{Note -}$

Por cierto, la respuesta a tu pregunta es exactamente lo que resuelve la paradoja de los gemelos. Sean los gemelos T1,T2.

$\textbf{Setup}$ - T1 ha comenzado a moverse en una nave espacial el 1 de enero de 2018, mientras que T2 se queda en la Tierra. Han decidido que volverán a encontrarse dentro de 50 años (teniendo en cuenta la dilatación del tiempo y todo eso). Entonces, cuando se encuentren, ¿quién será más joven?

$\textit{We know moving guy should age slowly and hence stay younger}$

$\textbf{Paradox}$ - Según la relatividad, ambos fotogramas están en movimiento y, por tanto, cuando se encuentran, ambos deberían ver al otro como más joven. De ahí la paradoja. El montaje es simétrico, ¿o no?

$\textit{Who is actually younger?}$

Si lo piensas detenidamente, te darás cuenta inmediatamente de que, al igual que en tu pregunta, T1 tuvo que acelerar primero para alcanzar una velocidad uniforme. Así que el montaje no es simétrico. Otra vez para comparar sus edades tienen que encontrarse y alcanzar el mismo marco otra vez. Para que esto ocurra, el hombre del espacio tiene que dar la vuelta (de nuevo aceleración, no inercial) y desacelerar (de nuevo no inercial).

Por lo tanto, podemos decir con seguridad que T1 está en un marco no inercial mientras que T2 está en un marco inercial. Pero sólo podemos aplicar la teoría de la relatividad especial a los sistemas inerciales. Por lo tanto, estamos OBLIGADOS a trabajar en el marco de T2 y concluir que es T1 quien debería ser realmente más joven.

Este dramático experimento se ha realizado utilizando partículas llamadas $muons$ y los resultados experimentales se ajustan perfectamente a las predicciones teóricas.

$\large \textit{Hail, O Einstein!!}$