¿Qué principios o teorías fundamentales requiere la física moderna?

Question

Nos han enseñado que la velocidad de la luz es insuperable pero, como sabemos, un experimento ha intentado demostrar recientemente lo contrario.

Si el experimento resultara correcto y fuera confirmado por otros, ¿haría que se replanteara la física? ¿Qué otros conceptos son fundamentales para la física que, de ser refutados, necesitarían un replanteamiento radical?

Si esto suena demasiado juvenil y/o desinformado, por favor, comprenda que soy un lego, que no tiene nada, profesional o académicamente que ver con la ciencia, directamente, y esta pregunta es por curiosidad. He desarrollado una afición por las "cosas de ciencia" y últimamente he estado leyendo literatura de divulgación científica. Esta pregunta también fue motivada por lo que dijo Sheldon Cooper en uno de los episodios (estaba viendo una repetición).

Answer 1

Una piedra angular similar de la física es el principio de invariancia rotacional. Supongamos que el laboratorio descubre que los neutrinos (o cualquier otra cosa) tienen tasas de oscilación diferentes cuando van en dirección N-S que en dirección E-O, en el vacío, sin relación con nada más. Esto rompería la física tanto como los neutrinos más rápidos que la luz. Si un laboratorio anunciara este resultado, se reiría de él, pero los neutrinos más rápidos que la luz son lo mismo con respecto al espacio-tiempo.

No hay pruebas publicadas de la invariancia rotacional que sean tan buenas como las pruebas de la relatividad, en parte porque la violación rotacional es contraintuitiva, así que nadie se molesta. Pero para un físico moderno, las violaciones de la relatividad son contraintuitivas exactamente de la misma manera.

Una segunda piedra angular es la invariabilidad de la traslación. Se trata del principio de que no hay forma de saber dónde se está en un sentido absoluto, sin medirlo en relación con otra cosa que esté allí. Si encontráramos un punto mágico, una posición en la que los muones no decaen, por ejemplo, y este punto fuera sólo en algún lugar no podrías conseguir que se moviera, esto sería una violación de la invariancia de traslación. La invariancia de traslación es aún más fundamental que la invariancia de rotación.

Los experimentos que mostrarían violaciones de estos son:

• violaciones de la ley de conservación del momento
• violación de la conservación de la energía
• violación de la conservación del momento angular
• violaciones de la ley del movimiento del centro de la masa.
• violaciones de la CPT (simetría materia/antimateria)

Si las observaciones de los neutrinos se mantienen, llevan a una violación de la ley de conservación del centro de masa con toda seguridad. Se puede mover el centro de masa de algo en una dirección sin emitir nada, simplemente propagando neutrinos superlumínicos en una dirección, convirtiéndolos en fotones, y enviando los fotones de vuelta en la otra dirección.

Además de las simetrías espacio-temporales, el otro principio básico inviolable es la mecánica cuántica. Si se encuentra una partícula cuya posición y momento no sean inciertos, o que no esté descrita por amplitudes de probabilidad, entonces se rompe la mecánica cuántica. Esto es difícil de imaginar, porque si una parte del mundo puede superponerse, es difícil ver cómo otra parte no obtiene la superposición al interactuar con la primera. Pero los principios de la mecánica cuántica permiten una deformación con decoherencia, y esto da el formalismo de Lindblatt para las matrices de densidad. Así que una violación de la mecánica cuántica se suele considerar como una cierta cantidad de decoherencia irreversible

• No hay decoherencia irreversible en los sistemas fundamentales

Estos son los principales hechos experimentales sobre los que se construye la física moderna, que no han podido ser acomodados fácilmente por la física moderna. Los cuatro primeros son bastante seguros, pero Hawking intentó conseguir la decoherencia irreversible en la física de los agujeros negros hace tan solo 10 años.

Si se juntan estos elementos, hay caminos deductivos relativamente plausibles que conducen a las teorías de campo relativistas que se utilizan hoy en día. Si se añaden algunas suposiciones tanto de naturaleza gravitacional como no gravitacional, se encuentra que la teoría de cuerdas debería ser la teoría de la gravedad correcta. No hay nada por debajo de la teoría de cuerdas, por lo que se ha terminado en términos de teorías fundamentales.

Answer 2

No mucho.
El resto de la física sigue funcionando, descubrir que la velocidad de la luz puede superarse en determinadas circunstancias no cambia de repente los resultados en otros experimentos ni permite que las máquinas de movimiento perpetuo empiecen a funcionar.

Ha habido algunos descubrimientos en los que cosas que eran clásicamente "imposibles" han funcionado en la teoría cuántica, lo que ha llevado a descubrimientos prácticos (como los SQUIDS o incluso los discos duros GMR). Aunque es difícil ver cómo se podría acelerar prácticamente Internet utilizando neutrinos oscilantes.

edit: El experimento real de Opera parece un error.
Pero imaginemos que se descubriera que (por ejemplo) se puede enviar una señal más rápida que la luz por algún efecto QM - pero a una distancia <0,1nm y sólo por debajo de una temperatura de 1mK que invalidaría la relatividad pero no tendría ningún efecto en el uso diario de la relatividad en la física o en la estructura del universo.

De la misma manera que una pequeña diferencia en la órbita de mercurio puso patas arriba la mecánica newtoniana y condujo a la RG, pero no tuvo ningún efecto en el uso cotidiano de la mecánica newtoniana para calcular el vuelo de las balas de cañón.

Answer 3

La mayor parte de los avances en física son graduales al principio, en cuanto a datos y experimentos. Las teorías cambian a raíz de los nuevos datos, pero en general lo hacen incorporando las antiguas teorías como casos límite para ciertos parámetros de las nuevas teorías, o convoluciones sobre las variables de las nuevas teorías.

La lista de @Ronmaimon es válida , y si un experimento viola una de estas condiciones habría que reestructurar/reformular las teorías o, como ha ocurrido en el pasado, explicar el fenómeno con nuevas partículas. Recuerdo que el neutrino se descubrió porque la conservación de la energía y el momento tenía que mantenerse, por ejemplo.

El Modelo Estándar de la física de partículas tiene que ser incorporado en cualquier teoría nueva porque es una abreviatura de todos los datos hasta ahora con muy pocos puntos oscuros (me viene a la mente la violación del CP). La incorporación no excluye nuevas formas de ver los datos, sólo que debe haber coherencia con lo anterior.

Si las cuerdas son la teoría del todo, por otro lado nos aportan muchas dimensiones inexploradas, y si hemos conseguido tener teorías tan complicadas con 3+1 dimensiones, sabe Dios lo que se les puede ocurrir a los teóricos inteligentes tratando de acomodar las violaciones, y ya están explorando teorías para encajar estos neutrinos superlumínicos si no resultan ser un error sistemático.

Answer 4

Parte del problema de confirmar las teorías físicas con experimentos es que no lo sabemos todo. Lo más probable es que haya circunstancias y márgenes de error impensables en los "experimentos con neutrinos". Si se producen discrepancias en los experimentos de teorías tan bien probadas, quedan más pruebas rigurosas antes de considerar el fracaso de la teoría. Por no hablar de que cualquier teoría reelaborada posteriormente tiene que satisfacer también, como mínimo, la teoría antigua.

Así que, sí, dadas las pruebas suficientes para derribar una teoría, los físicos pasarían por las cinco etapas, y finalmente no tendrían más remedio que ceder: la ciencia trata del mundo, no del ego.