2 votos

Unidades en relatividad especial

Tengo varias pequeñas preguntas sobre las unidades en relatividad especial:

  1. He leído en alguna parte que $c=1$ puede interpretarse como que los años luz son nuestra unidad de longitud y los años nuestra unidad de tiempo. Pero eso daría lugar a $c=1$ año-luz/año, en lugar de un simple $1$ . ¿Significa esto que esta interpretación es errónea? De lo contrario, si tengo que asumir que $c$ es un valor adimensional $1$ Tengo las siguientes preguntas...

  2. En primer lugar, no entiendo muy bien por qué hablamos de un $ct$ -en lugar de un eje $t$ -Eje. ¿Es la razón de esto que $c$ es constante, por lo que en lugar de hablar de un $t$ -también podríamos "ampliarlo" con $c$ ¿Por medio de la palabra? ¿Importa cómo $c$ ¿con o sin dimensiones? Supongo que no, porque no importa si se trata del tiempo o del espacio, parecen ser lo mismo, de alguna manera...

  3. Estoy familiarizado con la noción de espaciotiempo, pero no entiendo por qué no se introdujo una nueva unidad para las coordenadas de los acontecimientos... Se supone que el espaciotiempo es una mezcla de tiempo y espacio, así que ¿por qué no nos deshacemos de ambas nociones en nuestros cálculos y trabajamos con una nueva unidad? ¿O podría alguien justificar por qué elegimos escribir el tiempo en términos de longitud?

Publico estas preguntas simultáneamente, porque se solapan mucho.

Entiendo fragmentos, como:

En un mundo newtoniano, el espacio y el tiempo se consideran dimensiones fundamentalmente distintas, que no interactúan entre sí (no se influyen mutuamente).

Sin embargo, como hemos visto en las transformaciones de Lorentz, la posición de una partícula en un sistema de referencia diferente, también dependerá de su tiempo en el sistema de referencia original. Lo que vemos es que el espacio y el tiempo están entrelazados, y como dependen el uno del otro, podemos expresar uno - en nuestro caso $t$ - en función del otro. Casi lo entiendo, pero no del todo. ¿Alguien conoce un ejemplo de una situación clásica, en la que las unidades del $x$ -eje y $y$ -son dependientes entre sí, lo que nos permite escribir la variable en el eje $y$ -asis como una cantidad que pertenece al eje x?

He escrito muchas de mis ideas. No espero que se respondan todas mis preguntas, pero confío en que cuanto más haya escrito, más fácil será para alguien localizar el problema principal que tengo, y a partir de ahí intentaré continuar.

4voto

Febry Ghaisani Puntos 36

Bueno, voy a entrar aquí. He leído (y escrito) mucho sobre este tema y lo he meditado durante mucho tiempo. Creo que puedo comentar tanto lo que me parece que tiene sentido, como cuáles son las corrientes de pensamiento en la comunidad de físicos.

  1. ¿Es " $c=1$ " o " $c = 1$ unidad de distancia por unidad de tiempo"?

Es una buena pregunta y hace bien en plantearla. No hay consenso sobre la respuesta. Hay quien piensa que el espacio y el tiempo son tan parecidos que es extraño que tengan unidades diferentes, como lo sería medir la distancia de norte a sur, por ejemplo, en pulgadas, y la distancia de este a oeste en metros. Así que dirían que, una vez comprendido esto, el valor es $c=1$ y es adimensional.

Otros prefieren decir que el tiempo y el espacio no son del todo idénticos, porque, por ejemplo, una línea temporal no puede confundirse con una línea espacial, ni convertirse en una por transformación de Lorentz. Las leyes de conservación, como las de conservación de la energía y del momento, apelan de forma muy perspicaz a la diferencia entre las direcciones temporales y espaciales. Así que estas personas dirían que es útil adoptar unidades en las que la velocidad de la luz se evalúa a 1 unidad de distancia por unidad de tiempo, y no es una cantidad adimensional.

La razón por la que no existe un consenso total es que no hay un principio objetivo que afirme cuál es la opción correcta o mejor. Esto se debe a que el uso de unidades en física siempre está sujeto en cierta medida a las convenciones humanas. Cuando decimos, de una masa por ejemplo, "pesa 12 kg", en última instancia estamos diciendo que la masa es 12 veces mayor que alguna otra masa (que tenemos que definir de otra manera, o simplemente recurrir a señalar un objeto físico). Creo que el concepto de dimensiones físicas es tremendamente útil en el análisis y en la comprensión física, por lo que no me gustaría dejarlo de lado. Por eso prefiero decir que $c$ (y las velocidades en general) son magnitudes dimensionales, no adimensionales. Si tomamos los segundos-luz como unidad de distancia y los segundos como unidad de tiempo, el valor de $c$ es una unidad de distancia por unidad de tiempo.

  1. Es conveniente aumentar la escala del eje temporal en un factor que haga conveniente el diagrama cuando las velocidades de orden $c$ están involucrados. No me importa si se llama $t$ -eje o $ct$ -eje; eso no importa.

Obsérvese que, aunque el tiempo y el espacio son partes de un todo único llamado espaciotiempo, no es del todo correcto decir que son lo mismo el uno que el otro. El cono de luz futuro y pasado de cualquier suceso es una idea objetiva, que separa el espaciotiempo en regiones separadas temporalmente de ese suceso, y otra región separada espacialmente de él (y la frontera entre ambas, que es nula). Pero el tiempo y el espacio tampoco son completamente distintos como en la física newtoniana.

  1. En relatividad especial es conveniente, y tiene mucho sentido, etiquetar coordenadas en el espaciotiempo con valores que tienen todos las mismas dimensiones físicas. Se puede elegir un valor temporal o espacial (o cualquier otra posibilidad); no importa. Los espaciales son la elección estándar.

Quizá le interese saber que, en relatividad general, el marco matemático adoptado desde el principio se ocupa automáticamente de este tipo de cuestiones a medida que se "gira la manivela" del análisis tensorial, por lo que es bastante habitual utilizar conjuntos de coordenadas que no tienen todas las mismas dimensiones físicas. Se podría utilizar $t,r,\theta,\phi$ por ejemplo. El uso de la métrica garantiza que los factores de $c$ son atendidos.

Otras observaciones sobre las unidades

Tras un intercambio que puede verse en los comentarios, decidí añadir otra observación. Como he dicho, el uso de unidades en física es hasta cierto punto una cuestión de convención humana, pero es evidente que algunas personas juzgan que esto no se extiende a esta cuestión en relatividad, y quieren argumentar que sólo una formulación es correcta. He aquí las dos formulaciones una al lado de la otra. En la columna de la izquierda está el punto de vista en el que $c$ (y la velocidad en general) se considera adimensional. Esto puede hacerse reduciendo el número de dimensiones físicas empleadas para hacer física. En la columna de la derecha está el punto de vista en el que la velocidad es adimensional.

(ls = segundo-luz, s = segundo, m = metro) $$ \begin{array}{ll} c=1 & c = 1\; {\rm ls/s} \\ 3 \times 10^8 \,{\rm m} = 1 \,{\rm s} & 3 \times 10^8 \,{\rm m} = 1 \, {\rm ls} \\ 3 \times 10^8 \,{\rm m/s} = 1 & 3 \times 10^8 \,{\rm m/s} = 1 \,{\rm ls/s} \\ E^2 = m^2 + p^2 & E^2 = m^2 + p^2 \mbox{ and see * below} \end{array} $$ (*) En el caso de una expresión como ésta, si se piensa en $c$ como dimensional, entonces podría decirse que es un abuso de la notación omitir las dimensiones físicas al sustituir el valor " $c=1$ unidad de velocidad" en cualquier fórmula, pero esto es una mera cuestión de convención sobre el significado de la fórmula. En cualquier caso, se da por supuesto que, al evaluar cualquier expresión, se adoptarán las unidades en las que $c$ tiene el valor numérico de 1.

1voto

Matt Puntos 380

EDITAR

Curiosamente, parece haber cierta confusión sobre la frase "set $c=1$ "incluso entre los físicos de aquí. Es un lenguaje un poco descuidado que algunos parecen tomarse al pie de la letra. Lo que en realidad significa es "elige cualquier conjunto de unidades en las que el valor de la velocidad de la luz será 1". Eso es no una elección única - Es una condición de compatibilidad entre las unidades que utilizas para el tiempo y las que utilizas para la distancia.

Una consecuencia de esta elección es que el tiempo y la distancia se miden en la misma unidad, pero se pueden encontrar muchos conjuntos de unidades compatibles. Incluso si "empiezas" con segundos y metros, sigues teniendo al menos dos opciones obvias, ya que puedes medir el tiempo en metros (" $t \rightarrow ct$ ") o la distancia en segundos (" $x \rightarrow x/c$ "). Pero, de nuevo, cualquier unidad serviría. Puedes hacer que esto funcione con estadios, quincenas, la longitud de tu propio pie izquierdo tal y como es hoy a mediodía, el número de vidas de George-Washington... (Está claro que algunas de estas unidades son más fáciles de estandarizar y más agradables para la ciencia, pero la cuestión es que hay una unidad de medida que puede usarse en cualquier momento). $c=1$ compatibilidad posible a partir de cualquiera de ellos).

Por otro lado, se trata de una condición que siempre puedes elegir cumplir como consecuencia del hecho de que la velocidad de la luz en constante. Si haces esta elección, entonces, por definición de la elección, la velocidad no tiene unidades. Podrías haber hecho una elección diferente, por supuesto, en la que la velocidad tuviera unidades, pero si estás en el "conjunto $c=1$ ", significa que no lo has hecho.

Lo que hace que esta convención sea útil a primera vista, por supuesto, es que todos los factores $c$ en varias ecuaciones se vuelven innecesarias.

Si eliges un conjunto de unidades artificiales en las que la velocidad de la luz es algo así como "1 tu/du", donde tu y du son unidades de tiempo y longitud de tu elección, sigue siendo una convención diferente. Por ejemplo, en ese caso, todavía tiene que llevar el factor de $c$ en $E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$ para mantener la coherencia dimensional de la ecuación, lo que, por supuesto, contradice el propósito de adoptar la convención. (Si lleva los factores, no es una convención "errónea", pero probablemente sea inútil).

La única forma en que esto puede tener sentido - llevar "unidades" en la velocidad y la caída de los factores de $c$ - es si lo tratas como un radián ("rad"), que en realidad es un cociente adimensional de dos longitudes. Si quieres usar el "rad" como recordatorio de su origen, vale, pero al fin y al cabo eso no cambia el hecho de que no tiene unidades. (En ese caso, cosas como la "aproximación del ángulo pequeño" dependen de que no tenga unidades, por analogía con la energía relativista anterior). La serie de Taylor de las funciones trigonométricas, en su forma "habitual", sólo funciona para argumentos sin unidades. Con unidades, habría un factor de conversión adicional en cada término).

RESPUESTA ORIGINAL

Si hubiéramos descubierto la relatividad especial antes en la historia de la humanidad, podríamos haber utilizado siempre una unidad común para el espacio y el tiempo. Pero no fue así, y por eso tenemos unidades "diferentes" para el espacio y el tiempo.

Con el descubrimiento de la relatividad especial y la noción asociada de espaciotiempo, queda claro que dos conjuntos distintos de unidades no son del todo correctos. Mientras que $c$ es la velocidad de la luz y, por tanto, suele evocar una motivación física; a efectos de su pregunta, también es esencialmente un factor de conversión de unidades. Existen (aproximadamente) $3 \times 10^8$ metros en cada segundo, igual que hay 12 pulgadas en 1 pie.

Después de eso, el resto de sus preguntas son meras cuestiones de convención. Si has configurado todo para medir el tiempo en segundos y la distancia en metros (en el marco que elijas), entonces necesitas un factor de $c$ para hacer la conversión. Si eliges medir tu tiempo en, por ejemplo, metros en lugar de segundos, no necesitarás ningún otro factor para mantener la coherencia. Configuración de $c=1$ es sólo otra forma de decir que vas a utilizar las mismas unidades para el espacio y el tiempo.

1voto

Luke Puntos 1209

Yo respondería primero desde el punto de vista matemático. Matemáticamente hay una diferencia entre una cantidad con una unidad, como

$$1\ \mathrm{m}$$

y sólo

$$1$$

. Esta noción fue comprendida -en una medida primigenia- hasta Euclides de Alejandría (hacia el 300 a.C.), el mismo de quien es epónima la geometría euclidiana. Él consideraba la noción de magnitud que tenían diferentes "tipos" - longitudes, áreas, etc., frente a relación que estaba entre dos magnitudes del mismo tipo. Hoy podríamos decir que las magnitudes son el primer tipo de cantidad, y las proporciones como "números puros" del segundo tipo de cantidad.

La diferencia crucial es que las magnitudes no función como hacen los cocientes: se pueden sumar dos magnitudes del mismo tipo, por ejemplo $1\ \mathrm{m} + 5\ \mathrm{m} = 6\ \mathrm{m}$ pero no se pueden sumar dos magnitudes de diferente tipos, por ejemplo $1\ \mathrm{m} + 5\ \mathrm{m}^2$ es una tontería. Usted puede multiplicar dos magnitudes de distinto tipo, o del mismo tipo, pero la magnitud será de otro tipo, por ejemplo, dos longitudes multiplicadas por un área, que hoy en día utilizaríamos para describir algo como

$$(a\ \mathrm{m})(b\ \mathrm{m}) = ab\ \mathrm{m^2}$$

Pero por otro lado puede de hecho, suma y multiplica las proporciones todo lo que quieras, porque todas son del mismo tipo.

Desde una perspectiva moderna, definiríamos los cocientes como elementos del sistema de números reales "puros". $\mathbb{R}$ y mientras que Euclides tomó las magnitudes como noción primitiva de la que se derivan las razones, nosotros tomamos efectivamente las razones como primarias, y derivamos de ellas las magnitudes. En cierto sentido, los elementos de $\mathbb{R}$ son cosas que "quieren cambiar la cantidad de algo, para hacerlo más grande o más pequeño, o más o menos numeroso, según la "cantidad de tamaño" que encarnan - si se sigue esto lo suficientemente lejos se llega a los anillos de endomorfismo y, aún más lejos, a la noción de producto categórico (véase, por ejemplo, la discusión de Qiaochu Yuan aquí: https://math.stackexchange.com/questions/56663/is-there-a-natural-way-to-extend-repeated-exponentiation-beyond-integers/56710#56710 ). De hecho, esto se plasma en la terminología matemática: por eso los llamamos "escalares" en álgebra vectorial. Y también conecta con cómo los utilizamos en el lenguaje natural: cuando digo "tres manzanas", "tres" es algo que "modifica", o actúa sobre manzana" para producir conceptualmente la noción de tres de ellas. Además, en esto consiste "realmente" la multiplicación (en lugar de la "suma repetida"): multiplicar es, dados dos escalares, encontrar un tercero que actúe sobre las cosas como uno seguido de otro.

Las magnitudes son una bestia más complicada - la forma de construirlas tendría que ser básicamente un conjunto de conjuntos de números reales "etiquetados" o "tipificados" que son efectivamente espacios vectoriales 1D en los que, dentro de cualquiera de ellos, los números etiquetados se pueden sumar y también reescalar por escalares "puros" (es decir, ratios) reales con una operación de división adicional que produce un ratio. e. ratios) reales con una operación de división adicional que produce un ratio, y finalmente una operación de multiplicación "trans-tipo" que opera sobre la unión disjunta de todos los conjuntos de la familia (es decir, la "agrupación" de todos los reales etiquetados). No estoy seguro en absoluto de cómo se llama este tipo de estructura o si se ha estudiado antes en la literatura matemática.

Ahora, volviendo a tu pregunta sobre la física y la relatividad especial, podemos emplear este formalismo para resolver el enigma de la siguiente manera. En lugar de concentrarnos en todas las ecuaciones, sólo nos concentraremos en la básica que describe la geometría Minkowskiana, es decir, su elemento de línea

$$d\tau^2 = dt^2 - \frac{1}{c^2} (dx^2 + dy^2 + dz^2)$$

. Como estamos hablando de cantidades físicas, éstas son magnitudes . En $dx$ etc. NO números reales(*). Pertenecen al segundo tipo de estructura que acabo de comentar. Tienen "unidades", y la multiplicación típica por $\frac{1}{c^2}$ acaba convirtiendo unidades de espacio (al cuadrado) en unidades de tiempo (al cuadrado), de modo que la resta de $dt^2$ puede proceder.

Sin embargo, si tomamos " $c = 1$ ", entonces técnicamente hay una diferencia: para uno, tal como está escrito, eso no tendría sentido en lo anterior ya que eso haría que $c$ un escalar ("cociente" en terminología euclidiana). Como se observa, tenemos que tomar $c = 1\ \frac{\mbox{distance unit}}{\mbox{time unit}}$ para mantenerse dentro de los límites del sistema de magnitudes. Sin embargo, si hacemos esto podemos pasar por el isomorfismo natural que "quita las unidades", es decir, que "saca las etiquetas de los reales etiquetados" que componen las magnitudes, que podemos denotar como $\mathrm{strip}(x)$ y llegar a

$$\mathrm{strip}(d\tau^2) = \mathrm{strip}\left(dt^2 - \frac{1}{c^2}(dx^2 + dy^2 + dz^2)\right)$$

y luego filtrando todas las relaciones de isomorfismo,

$$[\mathrm{strip}(d\tau)]^2 = [\mathrm{strip}(dt)]^2 - \frac{1}{[\mathrm{strip}(c)]^2}([\mathrm{strip}(dx)]^2 + [\mathrm{strip}(dy)]^2 + [\mathrm{strip}(dz)]^2)$$

y puesto que $\mathrm{strip}(c)$ es ahora un número real $1$ (tomar " $\frac{\mbox{distance unit}}{\mbox{time unit}}$ " apagado), $\frac{1}{[\mathrm{strip}(c)]^2} = 1$ y por tanto si abusamos de la notación en el $dx$ etc. para ir a sus homólogos despojados, obtenemos

$$d\tau^2 = dt^2 - (dx^2 + dy^2 + dz^2)$$

y está en este sentido esa configuración $c = 1$ hace las cosas "sin unidad". Si lo hiciéramos no hacer esto, todavía podríamos pasar por el $\mathrm{strip}$ isomorfismo, pero acabaríamos con un factor $\frac{1}{c^2}$ que dependía del sistema de unidades del que procedíamos originalmente .


(*) Sí, estoy llamando a una forma diferencial 1 un número real - ¡blah! I tienen ¡para mantenerlo simple de alguna manera! Imagina que son pequeños números reales finitos y que la forma es meramente sugerente :)

-1voto

jpkeisala Puntos 132

Exactamente. Es mejor que lo amplíes. Entonces sabes que solo tienes que poner la potencia correcta de c en tu respuesta final. Pero eso lo puedes hacer contando unidades. Por ejemplo, tu respuesta final fue x pero se suponía que debías obtener un tiempo no una longitud entonces ¿qué potencia de c usas?

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X