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¿Es la velocidad de la luz una constante universal del espaciotiempo, la velocidad de las ondas electromagnéticas o de los fotones?

Esta cuestión ha sido abordada tangencialmente por ¿Qué frase es mejor que "velocidad de la luz" para referirse a la constante universal de velocidad del espaciotiempo? y ¿Podría la luz viajar más despacio que el "límite de velocidad universal"? ¿Podría esto implicar la cuantización del espaciotiempo? pero no creo que lleguen al núcleo de mi pregunta.

Cuando leo que muchas otras teorías, por ejemplo el Modelo Estándar, han sido construidas para ser invariantes de Lorentz parece que el electromagnetismo tiene algún papel preponderante en el universo comparado con otras teorías. Sospecho que la respuesta es que no es así, y que la Velocidad de la Luz espacio-temporal (con mayúsculas) es en realidad más bien una constante universal que no es necesariamente relacionada con la velocidad de las ondas electromagnéticas o de los fotones.

Hay muchas otras cuestiones relacionadas:

  1. ¿sería realmente devastador para la relatividad que descubriéramos en el futuro que los fotones tienen una masa diminuta y se mueven más despacio que ... uhh... la velocidad de la luz?
  2. ¿qué "c" es aplicable en diferentes situaciones? Es decir, posiblemente la constante espacio-tiempo debería utilizarse en $E=mc^2\gamma$ sería la velocidad de las ondas gravitacionales, etc..., pero en otras situaciones como el radio de Bohr o la longitud de onda de Compton no estoy seguro.

Se agradecerá cualquier respuesta. Por favor, dime si conoces alguna referencia bibliográfica que trate este tema.

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parece que el electromagnetismo tiene un papel preponderante en el universo en comparación con otras teorías

Esto no es cierto. Desempeñó un importante papel histórico, pero no es en modo alguno teóricamente "único" porque el fotón viaja a velocidad c. De hecho, el gluón también viaja a velocidad c. Si se descubriera que los fotones son ligeramente masivos, cambiarían muchas cosas, pero no cambiaría la relatividad. En este punto tenemos una teoría bien construida en la que todos y sólo las partículas sin masa viajan a velocidad c. En otras palabras, el fotón sólo es históricamente central en la relatividad, no conceptualmente.

la Velocidad espacio-temporal de la Luz (con mayúsculas) es en realidad más bien una constante universal que no está necesariamente relacionada con la velocidad de las ondas electromagnéticas o de los fotones.

Más o menos has respondido a tu propia pregunta, porque esto es exactamente así. Históricamente, las cuestiones relativas a los sistemas de referencia inerciales y al electromagnetismo condujeron al desarrollo de la relatividad especial. Dentro de la relatividad, aparece una importante constante de velocidad. Si el fotón no tiene masa, esta velocidad debería ser igual a la velocidad de la luz. Incluso si el fotón resultara ser masivo, esto no nos obliga en absoluto a reescribir nuestra teoría. Sólo significa que la herramienta histórica que utilizamos para construir la relatividad no era exactamente lo que pensábamos que era, pero se acercaba lo suficiente para el desarrollo inicial de la teoría. Nuestra comprensión teórica actual del espacio de Minkowski (la geometría del espacio-tiempo descrita por la relatividad especial) no depende del electromagnetismo, de hecho es al revés: en nuestra comprensión actual del electromagnetismo, utilizamos nuestra comprensión del espacio de Minkowski para concluir que las partículas sin masa, como los fotones, deberían moverse a la velocidad de la luz.

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Daniel Broekman Puntos 1951

Una rápida perspectiva alternativa:

  1. La verdad es que no. La relatividad sólo requiere la existencia de una velocidad invariante $c$ no requiere que nada viaje realmente a esa velocidad. Así que si los fotones fueran masivos, no habría ningún problema, aunque algunos resultados en cosmología podrían tener que modificarse un poco.
  2. Prácticamente cada vez que lo ves, $c$ significa la velocidad invariante. Por tanto, si se descubriera que los fotones son masivos, tendríamos que utilizar otro símbolo para la velocidad a la que viaja realmente la luz, y hay que tener en cuenta que ya no sería una constante fija, porque en ese caso la velocidad de la luz dependería del marco de referencia. En algunas circunstancias veremos $c$ se utiliza para denotar la velocidad de una onda, que puede no ser necesariamente la velocidad invariante de la relatividad, pero éstas son relativamente raras y normalmente fáciles de distinguir por el contexto.

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Gil Milow Puntos 160

1. ¿sería realmente devastador para la relatividad que descubriéramos en el futuro que los fotones tienen una masa diminuta y se mueven más despacio que ... uhh... la velocidad de la luz?

Como dice la frase " ... uhh ... " en su pregunta anticipa:
hay cierta devastación acechando en esa pregunta; a saber, una contradicción con la comprensión esencial de " luz " como "cualquier señal, sea cual sea, asociada a la señal frontal " con el fin de definir nociones geométricas (o cinemáticas) como

  • reposo mutuo (también conocido como pertenencia conjunta en un marco inercial) de los participantes,

  • duración, o al menos: relaciones de duración,

  • distancia (entre participantes que están en reposo uno respecto del otro), o al menos: relaciones de distancia, y

  • velocidad;

ni siquiera para entrar en nociones de dinámica definidas posteriormente, como " masa ", o "índice de refracción".

La estrecha asociación de " luz ", en el sentido explicado anteriormente, con el intercambio de señales entre cargas electromagnéticas sólo se debe a que (los sistemas constituidos por) cargas electromagnéticas son especialmente comunes y conspicuos en nuestro particular rincón/era del universo.

2. ¿qué "c" es aplicable en diferentes situaciones? [...]

La "c" que se introduce antes como coeficiente simbólico (distinto de cero) en la definición de "distancia" como "c/2 duración del ping" aparece siempre como señal frente velocidad ; coherente con el significado de "ping" y la duración correspondiente.

En Aproximación inicial de Einstein a la geometría y cinemática relativistas la definición de (cómo medir) la distancia sigue pareciendo invertida (y no libre de coordenadas):

" De acuerdo con la experiencia, supondremos que la magnitud $\frac{2\ \overline{AB}}{t'_{A}-t_{A}}=c$ donde $c$ es una constante universal [la velocidad de la luz en el vacío]. "

La comprensión de (cómo medir) la "distancia" como una noción que tiene que ser definida en primer lugar ha sido expresada posteriormente por Einstein discutiblemente en la prescripción de que

" Todas nuestras proposiciones espacio-temporales bien fundamentadas equivalen a la determinación de coincidencias espacio-temporales [como] encuentros entre dos o más puntos materiales reconocibles " ;

y más explícitamente quizás por J. L. Synge ["Relativity. The general theory", p. 108]:

"Para nosotros, el tiempo [duración] es la única medida básica. La longitud [distancia] es estrictamente un concepto derivado".

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Josh Diehl Puntos 138

Los tres se mueven a la misma velocidad constante que es c. la razón para demostrarlo es que las ondas gravitatorias viajan a la misma velocidad. E incluso los efectos de la gravedad viajan a la velocidad c. Esa es la razón por la que digo que la estructura del espaciotiempo sólo puede cambiar a esta velocidad. ¿Estoy en lo cierto al decir que la velocidad de la luz es finita porque la propia estructura del espaciotiempo necesita acomodarse de alguna manera a las ondas EM que lo atraviesan? ¿Estoy en lo cierto al afirmar que nadie ha combinado aún la gravedad con la QM? En QM actualmente se dice que cada partícula tiene su propia función de onda que describe su distribución de probabilidad en y alrededor de sus coordenadas en el espacio. La RG explica los efectos de la gravedad, pero no explica cómo funcionan. Puesto que las ondas EM sólo pueden propagarse por el espacio con velocidad c, y los efectos de la gravedad sólo pueden propagarse con la misma velocidad, e incluso las ondas gravitacionales sólo pueden propagarse con la misma velocidad, sería exacto decir que la información sólo puede propagarse por el espacio con velocidad c.

La razón es que el propio espacio sólo puede cambiar su estructura a esta velocidad. ¿Por qué? Combinemos GR con QM. Digamos que no sólo las partículas tienen su propia función de onda, sino que el propio espacio también "almacena" una función de onda para cada una de sus "coordenadas" espaciales o posición. Así que en el espacio cada coordenada 3D no sólo sería un punto, sino que también tendría una función de onda propia. Al igual que QM también dice que el espacio no está vacío, tiene Campos Q por todas partes en él. Así que si tiene campos Q en todas partes, puede tener una función de onda en todas partes.

Esta función de onda hará lo mismo para una determinada coordenada espacial, que la función de onda normal (que pertenece a la propia partícula) hace con la partícula, sólo muestra la distribución de probabilidad de la partícula en sus propias coordenadas, y a su alrededor en el espacio. Así que el propio espacio no sólo tendría campos Q en cada una de las coordenadas espaciales, sino también una función de onda. Digamos que hay una función de onda para el punto A y el punto B. Si los puntos A y B no tienen partículas en sus posiciones (por lo que están "vacíos") entonces la función de onda para el punto A mostrará una distribución neutra de posibilidades (0 lo más probable para sus propias coordenadas y las coordenadas espaciales circundantes).

La función de onda para el punto B mostrará lo mismo. Ahora bien, si un fotón entra en el punto A, la función de onda del punto A empezará a cambiar y mostrará primero probabilidades más altas en sus coordenadas espaciales circundantes en la dirección de la que procede el fotón, y luego, a medida que el fotón atraviesa el punto A, la función de onda del punto A mostrará probabilidades más altas a lo largo del camino que el fotón recorre a través de él y de su entorno espacial, finalmente en las coordenadas centrales de A y luego en la dirección del paso del fotón.

Eventualmente, a medida que el fotón pasaba por el punto A, la función de onda para el punto A mostrará menores probabilidades en las coordenadas espaciales circundantes de donde vino el fotón, y en las coordenadas del centro del punto A, y mostrará mayores probabilidades en la dirección en que pasó el fotón. Entonces, a medida que el fotón se mueve hacia el punto B, la función de onda para el punto B y sus alrededores espaciales empezarán a mostrar probabilidades más altas en la dirección de la que viene el fotón (es decir, la dirección desde el punto A), y a medida que el fotón pasa a través del punto B, mostrará probabilidades más altas a lo largo del camino por el que pasa el fotón. Finalmente, el fotón atravesará el punto B y continuará su camino hacia el punto C. En algún momento, la función de onda del punto A volverá a ser neutra, mostrando 0 probabilidades para sus propias coordenadas y todo su entorno espacial.

Ahora combinemos esto con la gravedad y la RG. Supongamos que hay una enorme masa gravitatoria en el punto B. El punto A está "vacío", pero aún dentro del campo gravitatorio de la enorme masa. Así que la enorme masa en el punto B tendrá un efecto gravitatorio en el punto A. ¿Cómo? bien, la función de onda en el punto B no será neutral, ¡ya que el efecto de la enorme masa en el punto B también tendrá un efecto en el punto A! ¡Cambiará también la función de onda en el punto A! ¿Cómo será la función de onda en el punto A? Mostrará mayores probabilidades en la dirección del punto B, ¡donde está la enorme masa! Y probabilidades más bajas para sus propias coordenadas, y en la otra dirección (no hacia B). Entonces, ¿cómo funciona la gravedad si combinamos RG y QM? Digamos que un fotón llega desde el punto C, que está aún más lejos de la masa gravitatoria.

Cuando el fotón se dirige al punto A, debería atravesarlo como en el ejemplo anterior, ¡pero no es así! ¿Por qué? Porque en el ejemplo anterior, A y B estaban fuera de cualquier campo gravitatorio, y tenían valores de distribución de posibilidad neutros para sus propias coordenadas y también para su entorno espacial. Pero ahora, ¡hay una masa gravitatoria en el punto B, que afecta también a la función de onda del punto A! Así que cuando el fotón quiere pasar por el punto A, entra en la función de onda del punto A, que muestra mayores probabilidades hacia la dirección del punto B, la enorme masa.

Así que cuando pasa por el punto A, su propia función de onda (matriz 3D o 4D de distribución de posibilidades para la coordenada central del punto A y sus alrededores espaciales) se combinará con la propia función de onda del fotón (que ya está en QM, sólo otra matriz de distribución de posibilidades para la coordenada real del fotón y sus alrededores espaciales). Así que cuando las dos matrices se combinan, la función de onda para el punto A cambiará la dirección del fotón a su paso, tal y como predice la RG. Y tal como predice la QM, todo será descrito por la combinación de funciones de onda, y la distribución de probabilidades. La función de onda actual de QM también se mantendrá intacta, ya que el fotón también conservará su propia función de onda (que debería parecerse a un vector momento, mostrando mayores probabilidades hacia su dirección objetivo) ¿Es una solución posible?

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Joshua Snider Puntos 108

Desde un punto de vista moderno, no es necesariamente ninguna de esas cosas. Puesto que la relatividad trata el espacio y el tiempo en pie de igualdad, la constante c sirve para convertir segundos en metros. En ese sentido, podría considerarse una constante universal, ya que medimos las distancias espaciales con instrumentos diferentes de los que utilizamos para medir las distancias temporales.

La relación de c con la velocidad de la luz es principalmente histórica. Einstein quería explicar las ecuaciones de maxwell y lo hizo abandonando la invariancia galileana. Las ecuaciones de Maxwell sólo son exactamente correctas (y la luz sólo se propaga a c) si el fotón no tiene masa.

Es posible crear una teoría del electromagnetismo relativísticamente correcta en la que el fotón no carezca de masa y, por tanto, los fotones sean como cualquier otra partícula masiva y las ecuaciones de Maxwell sólo sean aproximadamente correctas. Esto se hizo por primera vez alrededor de 1913 y se conoce como el Lagrangiano de Proca. Los límites experimentales de la masa del fotón requieren que la masa sea extremadamente pequeña si no es sin masa. Ahora mismo no conozco los límites más recientes.

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