Sin el experimento de Michelson-Morley, ¿hay alguna otra razón para pensar que la velocidad de la luz es el límite de velocidad universal?

Mucha gente lo encuentra algo sorprendente, pero la formulación inicial de la relatividad especial de Einstein estaba en un artículo, Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento , que hace muy poca referencia al resultado de Michelson-Morley; en cambio, se basa en gran medida en la simetría de los análisis electromagnéticos en diferentes marcos de referencia.

Desde una perspectiva más moderna, hay un fuerte argumento teórico para demostrar que la relatividad especial es, como mínimo, un fuerte contendiente para la descripción de la realidad. Estos están hermosamente resumidos en Nothing but Relativity ( doi ), pero el argumento es que bajo algunos supuestos bastante débiles, que son esencialmente

• la homogeneidad e isotropía del espacio, y
• la homogeneidad del tiempo, más
• algunos supuestos de linealidad débil

estás esencialmente reducido a cualquiera

• relatividad galileana, o
• relatividad especial con algún límite de velocidad universal (aún no determinado)$c$,

sin otras opciones.

Para llegar a la realidad, debe complementar este marco teórico con experimentos; no hay otra forma de evitarlo. El experimento de Michelson-Morley es, por supuesto, la pieza de evidencia más simple para colocar en ese espacio, pero en el siglo transcurrido hemos realizado muchos otros experimentos que cumplen con los requisitos. Desde una perspectiva puramente mecánica, el LHC produce rutinariamente$7\:\mathrm{TeV}$protones, que se acelerarían a aproximadamente$120c$en la mecánica newtoniana: es muy claro que$c$es un límite de velocidad universal, porque tratamos de acelerar las cosas cada vez más rápido, pero (sin importar cuánta energía cinética tengan) nunca pasan$c$.

Si quiere algo más antiguo, esta es precisamente la razón por la que desarrollamos el ciclotrón isócrono a fines de la década de 1930 y luego cambiamos a sincrotrones en la década de 1950: los ciclotrones requieren partículas para mantenerse sincronizadas con el voltaje de conducción, pero si se acercan a la velocidad de luz ya no pueden ir lo suficientemente rápido para mantenerse al día. Tenemos más de ochenta años de historia de poder empujar mecánicamente las cosas a regímenes relativistas.

Si desea una respuesta inscrita en "física experimental a partir de 1888, menos el resultado de Michelson-Morley", entonces, como dije, las propiedades de simetría del electromagnetismo (que son directamente compatibles con SR derivadas de$v\ll c$experimentos, pero requieren teorías del éter para tener sentido en la relatividad galileana) fueron suficientes para convencer a Einstein de que la RS era la elección correcta.

Editar:

Como se señaló en un comentario, el artículo original de Einstein hace alguna referencia a los experimentos (tipo) de Michelson-Morley, en su segundo párrafo:

Los ejemplos [como la acción electrodinámica recíproca de un imán y un conductor], junto con los intentos fallidos de descubrir cualquier movimiento de la tierra en relación con el "medio ligero", sugieren que los fenómenos de la electrodinámica, así como de la mecánica, no poseen propiedades correspondientes. a la idea de reposo absoluto.

Sin embargo, aparte de este pequeño asentimiento, no hace referencias sustantivas al éter o sus equivalentes: el artículo comienza con los postulados de la relatividad (basados ​​en la constancia de la velocidad de la luz), los usa para construir la relatividad especial (en lo que respecta a las transformaciones entre marcos móviles, etc.), y luego construye su caso sobre las propiedades de transformación de las ecuaciones del electromagnetismo: estas proporcionan una visión fundamental más profunda que subyace a la simetría del análisis de situaciones electromagnéticas realizadas en diferentes marcos móviles de referencia.

En la actualidad tenemos mediciones muy directas del comportamiento de la velocidad de las partículas a medida que agrega energía cinética. El acelerador CEBAF en Jefferson Lab solo funciona porque agregar (¡mucha!) más energía a los electrones después de haber ingresado a la pista de carreras por primera vez no cambia su velocidad en relación con el laboratorio lo suficiente como para medirse.

En realidad.

Entre la salida del amplificador con una energía cinética de 123 MeV y su entrega a las salas con una energía cinética de hasta 12 GeV (un factor de aumento de ~100), la velocidad del haz se mantiene constante con alta precisión.

En los cálculos esto significa que vamos de$\gamma_\text{booster} = 241$a$\gamma_\text{max} = 23500$. Necesitará una calculadora de alta precisión para determinar la diferencia de velocidades implícita en esto y el mundo real confirma tales consideraciones.

Simplemente no puedes empujar una partícula más rápido que$c$.

El experimento de Fizeau es una forma de medir la velocidad de la luz en un medio en movimiento. Desde nuestro punto de vista moderno, proporciona una prueba experimental para la transformación de Lorentz de una velocidad$u$en un marco de referencia que se mueve a$v$, en el régimen en que$u$es de orden$c$y$v \ll c$. Fundamentalmente, el aparato es lo suficientemente sensible para discriminar la fórmula de transformación de Lorentz$u' = \frac{u + v}{1 + \frac{uv}{c^2}}$de la fórmula galileana$u' = u + v$. El experimento se realizó en 1851, 36 años antes del experimento de Michelson-Morley.

Los resultados de Fizeau fueron inesperados en ese momento, en desacuerdo con las teorías ingenuas del arrastre del éter. Sin embargo, la respuesta entre los teóricos fue favorecer teorías de arrastre del éter más intrincadas, en las que diferentes materiales arrastraban el éter en diferentes grados. Estas teorías se volvieron aún más complejas para incorporar la dispersión, es decir, diferentes longitudes de onda de luz que tienen diferentes índices de refracción.

Aquí están las conclusiones extraídas por Fizeau (énfasis mío):

O bien, en primer lugar, el éter se adhiere o está fijado a las moléculas del cuerpo y, en consecuencia, comparte todos los movimientos del cuerpo; o en segundo lugar, el éter es libre e independiente y, en consecuencia, no se lleva con el cuerpo en sus movimientos; o, en tercer lugar, sólo una parte del éter está libre, estando el resto fijado a las moléculas del cuerpo y, solo, compartiendo sus movimientos .

...

Concluyo, entonces, que [la primera] hipótesis no concuerda con el experimento. Veremos a continuación que, por el contrario, la tercera, o hipótesis de Fresnel, conduce a un valor del desplazamiento que difiere muy poco del resultado de la observación .

...

Creo que el éxito de este experimento debe conducir a la adopción de la hipótesis de Fresnel, o al menos a la de la ley descubierta por él, que expresa la relación entre el cambio de velocidad y el movimiento del cuerpo; porque aunque el hecho de que esta ley sea cierta constituye un fuerte argumento a favor de la hipótesis de la que es una mera consecuencia, sin embargo, para muchos la concepción de Fresnel sin duda seguirá pareciendo extraordinaria y, en algunos aspectos, improbable ; y antes de que pueda aceptarse como la expresión del estado real de las cosas, se requerirán pruebas adicionales del físico, así como un examen completo del tema por parte del matemático.

Sobre el efecto del movimiento de un cuerpo sobre la velocidad con la que la luz lo atraviesa (1860) Hippolyte Fizeau, Philosophical Magazine, serie 4, vol. 19, págs. 245-260

Esto se está volviendo un poco como una pregunta de lista, pero aquí hay otra forma de hacerlo sin luz.

Como describe con elocuencia Emilio Pisanty , existen bases teóricas muy sólidas, utilizando solo resultados de simetría que intuitivamente nos aclaran a todos desde una edad muy temprana (<10 años), que existe un límite de velocidad de señalización universal único que también es inercial. marco-invariante. Solo necesitamos medir este parámetro.$c$para encontrar las leyes completas. Observe que dije "parámetro" en lugar de velocidad, porque no necesariamente tenemos que observar algo que se mueve a una velocidad invariante del marco inercial para derivar$c$experimentalmente. Esto se debe a que estos mismos argumentos nos dan la forma completa de la transformación de Lorentz (sin el valor real de$c$). En particular, nos dan el factor de dilatación del tiempo.$\gamma(v)$en función de la velocidad relativa$v$.

Así que podemos usar cualquier experimento que observe$\gamma(v,\,c)$como una función de$v$y ajuste la curva de los resultados experimentales a$\gamma(v,\,c) = 1/\sqrt{1-(v^2/c^2)}$ajustando el$c$parámetro para el ajuste más ajustado de los resultados a la curva teórica. Si nuestros experimentos incluyen valores de$v$que son una fracción significativa de$c$, entonces nuestra estimación de$c$será uno bueno.

Hay toda una lista de experimentos que podrían funcionar de esta manera.

Podríamos, por ejemplo, medir las mediciones de vida útil de decaimiento de muones$\tau = \tau_0 \,\gamma(v,\,c)$como una función de$v$.

O bien, podríamos hacer una variación de energía más baja en el ejemplo de Dmckee y medir$v$en función de la energía cinética$E = m_o\,c^2 (\gamma(v,\,c) -1 )$y la curva se ajusta a esta. Solo tendríamos que estar a la altura de aproximadamente$v=c/2$(cuando$\gamma = 1.155$) para obtener una buena estimación de$c$con un equipo modestamente preciso.

Por supuesto, los resultados experimentales mejoran a medida que nuestra tecnología mejora y nuestros experimentos acceden a velocidades cada vez más altas.

Eventualmente llegan a la situación descrita por Dmckee: simplemente no podemos empujar las partículas más rápido y efectivamente estamos en$c-\epsilon$velocidades, para que podamos leer$c$con mucha precisión.

Pero, suponiendo que hubiéramos trabajado progresivamente para obtener mejores y mejores resultados experimentales usando velocidades cada vez más altas como describí y nadie hubiera decidido que la velocidad de la luz fuera invariable en el marco. Debería pensar que las estimaciones que uno obtendría en$v=c/4$(cuando$\gamma = 1.033$) daría, con un gran número de repeticiones y un buen procesamiento estadístico, una estimación de$c$lo suficientemente preciso como para que alguien dijera: "Oye, creo que sé algo que realmente se mueve al parámetro de velocidad$c$"!

La evidencia experimental actual más sólida es el modelo estándar de la física de partículas, las hermosas simetrías de SU(3)xSU(2)xU(1) con la plétora de datos que las produjeron, se desmoronarían si c no fuera la velocidad límite. , es decir, si la relatividad especial no se cumpliera.

Cada medición de masa en el libro de datos de partículas proviene del uso de ecuaciones de conservación de energía y momento basadas en el álgebra de los cuatro vectores de la relatividad especial y miles y miles de eventos medidos.

Tengo entendido que el límite es simplemente asintótico... a medida que aumenta la velocidad, también lo hace la masa, por lo que aumentar la velocidad requiere una energía cada vez mayor, para dar cuenta de la nueva inercia... eventualmente, la cantidad de energía necesaria para acelerar sería infinita, ese sería el límite de velocidad para toda la materia/energía en cualquier parte del universo

Sin el experimento de Michelson-Morley, ¿hay alguna otra razón para pensar que la velocidad de la luz es el límite de velocidad universal?

El experimento MM prueba solamente que el movimiento de la tierra no es observable bajo la rotación del interferómetro usado. Lo que se prueba es el tiempo de vuelo en diferentes caminos entre el punto de emisión de luz y la pantalla de observaciones. Entonces, el experimento MM no prueba que la velocidad de la luz sea el límite de velocidad universal.

La pregunta sobre el límite de velocidad se responde de una manera fácil. Supongamos que usted es el propietario de cohetes que vuelan a una velocidad de, digamos, 6.000 km/h. ¿Cómo piensas a qué velocidad puedes acelerar una hormiga y un elefante con tales cohetes? Mientras los hechos empíricos digan que la radiación EM tiene la mayor velocidad observada, no se pudo encontrar ningún método para acelerar algo a una velocidad mayor que la de la luz.

Hay otros puntos interesantes:

1. La radiación EM se emite en paquetes, llamados primero cuantos y luego fotones. Se demostró que los fotones con diferente contenido de energía (de diferentes longitudes de onda) viajan en el vacío exactamente a la misma velocidad. Esto no era obvio. Fue probado con una precisión muy alta y esto subraya la existencia de la velocidad de la luz.
2. La velocidad de la luz es un valor local y cambia, para un observador lejano, con el potencial gravitatorio. Cuanto mayor es la acumulación de masa que más lento se mueve la luz. En el espacio entre galaxias con su potencial gravitacional más bajo, la luz se mueve más rápido en relación con un observador en un potencial gravitacional más alto.

De todos modos, la pregunta sobre otros experimentos para la prueba de la ausencia de éter es muy interesante. El experimento MM tiene una debilidad. Dado que el potencial gravitatorio influye en la velocidad de la luz y que la gravedad influye en el espacio alrededor de la masa, debe probarse que cerca de la superficie terrestre, la gravedad no mueve el espacio de la misma manera que una esfera giratoria en un líquido. influir en el líquido. En realidad lo hace.

Evidentemente:
la velocidad de lo que pueda servir para el intercambio de señales entre los participantes es necesariamente menor, oa lo sumo tan grande como la velocidad a la que se propaga el frente de la señal ( signal front speed ) entre ellos;
siempre que, por supuesto, se defina y sea aplicable una medida de "velocidad" (lo que a su vez presupone o al menos está asociado con una medida adecuada de "distancia", y con una caracterización adecuada de los participantes relevantes como un sistema con geometría relaciones entre sí, un "marco").

La identificación de la velocidad del frente de la señal.$c_0$con "velocidad a la que las ondas electromagnéticas (formas) se propagan en el vacío" es principalmente una definición de "vacío" (en términos de índice de refracción$n$) y, por lo tanto, relacionado con cómo definir el índice de refracción y medir sus valores en consecuencia (donde surge la pregunta: ¿Michelson/Moreley incluso hizo eso?);
y por lo tanto de relevancia práctica e histórica.

Editar (relacionado con los comentarios): Cabe señalar que las razones descritas anteriormente no se derivan de ninguna evidencia experimental (y, por lo tanto, son contrarias a tal presunción expresada en la pregunta OP), pero pueden y deben considerarse ya en la definición de cantidades físicas (como "velocidad", especialmente) y, por lo tanto, ya en el diseño de posibles experimentos para medir la "velocidad".

Se han probado los efectos relativistas (por ejemplo, la dialización del tiempo) y los experimentos concuerdan con la teoría. En última instancia, esto significa que los objetos que se acercan a c aumentan de masa hasta el punto en que necesitará cantidades cada vez mayores de energía adicional para acelerarlos aún más.

En 1887 (antes de que FitzGerald y Lorentz presentaran la hipótesis de la contracción de la longitud ad hoc), el experimento de Michelson-Morley confirmó INEQUÍVOCAMENTE la velocidad variable de la luz predicha por la teoría de emisión de la luz de Newton y refutó la velocidad constante (independiente de la velocidad de la fuente de luz). de la luz predicha por la teoría del éter y adoptada en 1905 por Einstein como su segundo postulado (velocidad constante de la luz):

https://en.wikipedia.org/wiki/Emission_theory "La teoría de la emisión, también llamada teoría del emisor o teoría balística de la luz, era una teoría que competía con la teoría de la relatividad especial y explicaba los resultados del experimento de Michelson-Morley de 1887. [...] El nombre más frecuentemente asociado con la teoría de la emisión es Isaac Newton. En su teoría corpuscular, Newton visualizaba "corpúsculos" de luz que salían de los cuerpos calientes a una velocidad nominal de c con respecto al objeto emisor, y que obedecían a la forma habitual leyes de la mecánica newtoniana, y luego esperamos que la luz se mueva hacia nosotros con una velocidad que se compensa con la velocidad del emisor distante (c ± v)".

http://philsci-archive.pitt.edu/1743/2/Norton.pdf "El experimento de Michelson-Morley es totalmente compatible con una teoría de emisión de luz que CONTRADICE EL POSTULADO DE LA LUZ".

se ajustarán a la relatividad newtoniana y, por lo tanto, explicarán automáticamente el resultado nulo del experimento de Michelson-Morley sin recurrir a longitudes de contracción, tiempo local o transformaciones de Lorentz. Sin embargo, como hemos visto, Einstein resistió la tentación de explicar el resultado nulo en términos de partículas de luz e ideas newtonianas simples y familiares, e introdujo como su segundo postulado algo que era más o menos obvio cuando se pensaba en términos de ondas. en un éter. Sin embargo, si era tan obvio, ¿por qué necesitaba establecerlo como un principio? Porque, habiendo tomado de la idea de las ondas de luz en el éter el único aspecto que necesitaba, declaró al principio de su artículo, para citar sus propias palabras, que "la introducción de un 'éter luminífero' demostrará ser superflua". o Transformaciones de Lorentz. Sin embargo, como hemos visto, Einstein resistió la tentación de explicar el resultado nulo en términos de partículas de luz e ideas newtonianas simples y familiares, e introdujo como su segundo postulado algo que era más o menos obvio cuando se pensaba en términos de ondas. en un éter. Sin embargo, si era tan obvio, ¿por qué necesitaba establecerlo como un principio? Porque, habiendo tomado de la idea de las ondas de luz en el éter el único aspecto que necesitaba, declaró al principio de su artículo, para citar sus propias palabras, que "la introducción de un 'éter luminífero' demostrará ser superflua". o Transformaciones de Lorentz. Sin embargo, como hemos visto, Einstein resistió la tentación de explicar el resultado nulo en términos de partículas de luz e ideas newtonianas simples y familiares, e introdujo como su segundo postulado algo que era más o menos obvio cuando se pensaba en términos de ondas. en un éter. Sin embargo, si era tan obvio, ¿por qué necesitaba establecerlo como un principio? Porque, habiendo tomado de la idea de las ondas de luz en el éter el único aspecto que necesitaba, declaró al principio de su artículo, para citar sus propias palabras, que "la introducción de un 'éter luminífero' demostrará ser superflua". e introdujo como su segundo postulado algo que era más o menos obvio cuando se pensaba en términos de ondas en un éter. Sin embargo, si era tan obvio, ¿por qué necesitaba establecerlo como un principio? Porque, habiendo tomado de la idea de las ondas de luz en el éter el único aspecto que necesitaba, declaró al principio de su artículo, para citar sus propias palabras, que "la introducción de un 'éter luminífero' demostrará ser superflua". e introdujo como su segundo postulado algo que era más o menos obvio cuando se pensaba en términos de ondas en un éter. Sin embargo, si era tan obvio, ¿por qué necesitaba establecerlo como un principio? Porque, habiendo tomado de la idea de las ondas de luz en el éter el único aspecto que necesitaba, declaró al principio de su artículo, para citar sus propias palabras, que "la introducción de un 'éter luminífero' demostrará ser superflua".