¿Cómo puedo demostrar que la velocidad de la luz en el vacío es la misma en todos los marcos de referencia?

He oído con frecuencia que el experimento de Michelson-Morley demuestra que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia.

Al investigar un poco, descubrí que en realidad demostraba que el éter luminífero probablemente no existía y que la velocidad de la luz no variaba según la dirección en la que viajaba el planeta. No veo cómo demostró ese movimiento. hacia una fuente de luz, por ejemplo, no afecta la velocidad del observador en relación con la luz, ya que no había partes móviles en el experimento.

Las otras fuentes que he consultado dicen que el experimento de Michelson Morley no demostró nada como este: ¿ Es el segundo postulado de la relatividad especial de Einstein un axioma? y este: ¿ Cómo podemos demostrar que la velocidad de la luz es realmente constante en todos los marcos de referencia? tienden a decir que las ecuaciones de Maxwell fueron en realidad más significativas para Einstein, ya que predicen que la luz se mueve a una velocidad constante, y esta velocidad tiene que ser relativa a algo (o en el caso de la relatividad, todo). Se pensaba que ese algo era el éter, pero en ausencia de eso, ¿por qué no podría ser relativo a lo que sea que lo emitiera? Parece una conclusión inmediata más obvia a la que llegar que la idea de que es lo mismo en relación con todos y todos los resultados contrarios a la intuición que se derivan.

Otra idea es que la velocidad de la luz es el límite de velocidad universal y, por lo tanto, debe tener un valor fijo solo para trabajar bajo la relatividad galileana.

Pero luego ese argumento va en círculos:

"¿Por qué no puedes ir más rápido que la velocidad de la luz?"

"Porque de lo contrario tu masa se vuelve infinita".

"¿Por qué tu masa se vuelve infinita?"

"Debido a la relatividad especial de Einstein".

Pero esto se basa en el hecho original de que no puedes ir más rápido que la velocidad de la luz, por lo que no puedo encontrar ningún argumento que responda completamente por qué la velocidad de la luz tiene que ser constante, aparte de que se ha probado regularmente desde .

Entonces mis preguntas son:

  1. ¿Hay algo que me esté perdiendo sobre el experimento de Michelson-Morley o las ecuaciones de Maxwell que explique mis objeciones y muestre definitivamente que la velocidad de la luz es constante y que es imposible ir más rápido que ella?

  2. Si no, ¿hay algún otro ejemplo específico, idealmente que hubiera estado allí para Einstein, que pueda usar para explicar a las personas sin conocimiento de la relatividad por qué es así?

Si la velocidad de la luz dependiera de la velocidad de la fuente, Bremsstrahlung y tal vez la radiación de sincrotrón se verían muy diferentes, y tal vez la corona solar tendría que expandirse por un tiempo... no estoy seguro de cómo se vería eso. También afectaría la comunicación con las sondas interplanetarias.
El experimento de Michelson-Morley jugó un papel muy pequeño en el propio pensamiento de Einstein. Su pensamiento se basó más en argumentos teóricos de la electrodinámica. Menciona en su artículo original el experimento de Michelson-Morley de pasada como el "fracaso de los intentos de detectar un movimiento de la tierra en relación con el" medio ligero "". Pero no parece ser la parte central de su argumento. Ver: einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/154
Una forma moderna, máximamente teórica y más simple de llegar a la existencia de una velocidad invariable con la que me he encontrado se encuentra en este artículo llamado "Nothing but Relativity" de PB Pal: arxiv.org/abs/physics/0302045 .
@FeynmansOutforGrumpyCat Apoyo su punto en este documento. Aunque no es el primero con esta idea ni es matemáticamente riguroso (a diferencia de algunos otros). Sin embargo, es una lectura fácil que muestra claramente que la constancia de la velocidad local de la luz es una consecuencia de la uniformidad y homogeneidad del espacio y el tiempo. Siempre que la métrica sea dos veces diferenciable, esta condición es automática en cualquier marco localmente en una pequeña región.
@safesphere Sí, estoy de acuerdo. Supongo que Mermin popularizó la idea por primera vez con su artículo Relatividad sin luz. Sin embargo, no estoy seguro de haber encontrado tratamientos más rigurosos que uno en el artículo mencionado, excepto quizás por Dixon en su libro. Sería genial si pudieras informarme de los tratamientos más rigurosos.
@FeynmansOutforGrumpyCat No he realizado una búsqueda exhaustiva (limitada a un iPhone en este momento), pero aquí hay un documento: o.castera.free.fr/pdf/One_more_derivation.pdf - Además, busque obras de TM Kalotas y AR Lee en esta asignatura.
El experimento de Michelson-Morley ciertamente tuvo una parte móvil (bastante grande). El objetivo del experimento era que la Tierra se está moviendo.
Sí, de acuerdo, la tierra se mueve. Sin embargo, si arrojas una pelota a la tierra, seguirá yendo a una velocidad de la velocidad de la tierra + la velocidad de la pelota... Estaba preguntando más sobre el hecho de que este experimento no muestra que la velocidad de la tierra + la velocidad de la luz = la velocidad de la luz, sino más bien esa velocidad de la tierra + velocidad de la luz - velocidad de la tierra = velocidad de la tierra + velocidad de la luz - velocidad de la tierra (debido a que el marco de referencia también se mueve)
Hay alguna diferencia entre la velocidad de la luz en dos sentidos y la velocidad de la luz en un solo sentido. Solo podemos medir (mediante un solo reloj) la velocidad de la luz de ida y vuelta, y siempre es igual a c, independientemente de la dirección. El experimento MM demuestra la isotropía de la velocidad de la luz de ida y vuelta, pero no dice nada sobre la velocidad en un sentido. La velocidad de la luz en un sentido no se puede medir antes de la sincronización de dos relojes espacialmente separados. SR mantiene la velocidad de la luz en un sentido igual a la velocidad de ida y vuelta, pero no puede ser verificada por ningún experimento. Busque la velocidad de la luz en un solo sentido en Wikipedia.
@Arkleseisure Pero repitieron el experimento en una época diferente del año, cuando el movimiento de la Tierra contra un marco de referencia privilegiado hipotético (como el éter) habría sido diferente.
@MikeScott Eso todavía no explica por qué el marco de referencia privilegiado no puede ser el del emisor de la fuente de luz, como mencioné en la pregunta ... El emisor parece una conclusión lógica a la que llegar, ya que sería el caso de cualquier objeto físico, como una pelota.
Un punto importante es que el experimento MM solo descarta un conjunto específico de posibilidades. Necesita otros experimentos/observaciones para descartar otras posibilidades (vea la publicación sobre los sistemas estelares binarios).
Porque de lo contrario tu masa se vuelve infinita. FALSO; cf physics.stackexchange.com/q/34008/25301 , physics.stackexchange.com/q/133376/25301 , etc.

Respuestas (9)

Para un tratamiento básico del experimento de Michelson-Morley, consulte 1 . Sin embargo, no es importante conocer los detalles técnicos del experimento para responder a sus preguntas. Lo único relevante es el resultado, déjame ponerlo en términos básicos ya que pareces tener problemas con la "jerga de la física":

Mientras que la velocidad total de una pelota lanzada desde un camión es la suma de la velocidad de la pelota en relación con el camión y la velocidad del camión en relación con el observador, la velocidad de un rayo de luz emitido por el camión no lo es. Mucho más la velocidad del rayo de luz parece completamente independiente de la velocidad del camión.

Michelson y Morely no tenían un camión, tenían la tierra girando alrededor del sol.

Por favor, aclare que este hecho experimental puede explicarse afirmando que la velocidad de la luz es constante. Si te digo que la velocidad de la luz es constante en cada marco de referencia, entonces el resultado anterior no te sorprende en absoluto.

Pero quieres más. Quiere que le demuestre que la velocidad de la luz es universalmente constante. No puedo. Nunca habrá un experimento que demuestre que este axioma es universalmente cierto. ¿Cómo debería uno construir un experimento así, cómo debería uno, por ejemplo, probar la teoría en la galaxia de Andrómeda? Es imposible, pero no importa: ¿por qué no seguir con el axioma, siempre y cuando podamos explicar todo lo que vemos a nuestro alrededor con él?

Como ya dijiste, hay una conexión interesante entre la invariancia de la velocidad de la luz y las ecuaciones de Maxwell. De hecho, se puede demostrar que la velocidad de la luz tiene que ser constante, de lo contrario, la teoría de Maxwell no puede ser cierta para todos los marcos inerciales. Pero esta tampoco es una prueba que pueda convencerte, ya que aceptar las ecuaciones de Maxwell no es diferente a aceptar la invariancia de la velocidad de la luz. Además, la base de la teoría de Einstein no es la invariancia de la velocidad de la luz, sino la invariancia de la velocidad de la acción. Lo cual no se puede concluir a partir de la teoría de Maxwell, aunque es una conjetura razonable.

Las teorías físicas no son demostrables. Pero mientras se ajusten a la realidad, las aceptamos como verdades.

Anexo: Recomiendo esta breve conferencia para legos de R. Feynman sobre el tema. Feynman y yo presentamos una línea de razonamiento muy similar.

Gracias, supongo que la pregunta ahora es "¿hay algún experimento simple que muestre que la velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia (como el camión y el haz de luz) que ya se haya hecho y pueda citar a alguien para a quien le estoy explicando SR?"
La respuesta "es axiomático" se siente insatisfactoria porque uno se queda preguntándose cuáles son los criterios para que los fenómenos puedan 'permitirse' explicarse de esa manera. ¿Por qué no llamar simplemente axiomáticos a todos los fenómenos? ¿Por qué los científicos están contentos de llamar a algunos fenómenos sorprendentes (p. ej., la velocidad constante de la luz) simplemente axiomáticos, mientras que otros se molestan por mucho tiempo ( en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics )?
@Arkleseisure Hay, más o menos: ha sido realizado por Michelson y Morley. Si tiene dificultades para seguir los detalles técnicos del experimento, debe crear una nueva pregunta o al menos explicar por qué cree que no satisface sus criterios. Pero como traté de explicar, nunca puede haber un experimento que muestre que es necesariamente VERDADERO en todos los marcos de referencia. Pero el experimento de Michelson-Morley es una fuerte pista. Uno muy fuerte. Otra confirmación indirecta: podemos observar muchos efectos que predice la relatividad, confirmando indirectamente que sus axiomas son ciertos.
Esta respuesta parece depender de la idea de que la pregunta pide una prueba innegable y que la prueba funciona en todas partes (por ejemplo, Andrómeda), pero eso no se siente como lo que pregunta la pregunta, y la pregunta nunca usa tales términos. Eso deja la respuesta sintiéndose muy deficiente. La pregunta simplemente dice "¿cómo podemos mostrar X?" Si hacemos la afirmación X, debemos ser capaces de explicar cómo podemos mostrar X. Si ni siquiera podemos contemplar una forma en que X podría demostrarse (es decir, es falsable), entonces X tiende a llamarse pseudociencia. ¿Estás sugiriendo que tiremos "c es una constante" a la basura?
@benxyzzy Tu pregunta es válida. Y probablemente merezca una respuesta más refinada que la que puedo dar como comentario. De todos modos: mira esa lista de problemas. La mayoría de ellos son muy específicos. En lugar de simplemente afirmar que cierto hecho es axiomático, los físicos se esfuerzan por derivar tales resultados específicos de conceptos más fundamentales. Una teoría se considera elegante cuando hace muy pocas suposiciones axiomáticas pero puede explicar muchos resultados específicos. Resultó en el siglo pasado, que no parece haber un concepto más fundamental, que subyace a la invariancia de la velocidad de la luz.
@Aaron Muchos no físicos sienten que debería haber una prueba para cada axioma físico: "Si afirmamos X, debemos poder explicar cómo podemos mostrar X". Así no es como funciona la física. Realizamos reclamaciones y las adaptamos si es necesario. A menudo nunca probamos estas afirmaciones. Es casi imposible hacer eso, la velocidad de la luz es un excelente ejemplo. En cambio, nos enfocamos en falsificar una teoría a través del experimento y creamos una nueva que no se puede falsificar de esa manera. Debido a que no poder probar algo no significa que no sea falsificable, debe tener cuidado con estos términos.
@TheoreticalMinimum Estoy completamente de acuerdo con lo que está diciendo, incluido su parte final de "tener cuidado con estos términos". Creo que algo así como "El experimento A incluye una medida en la que la velocidad de la luz se midió para ser la misma en estos dos marcos de referencia que estaban en movimiento uno respecto del otro" o "El experimento hipotético B es cómo falsificaríamos esto" o algo por el estilo. el tipo "mostraría" el reclamo en cuestión. Mostrar una manzana cayendo sobre la cabeza de Newton no "prueba al 100% que todos los objetos caen", pero sí "muestra que todos los objetos caen".
@TheoreticalMinimum Tal vez deberíamos pedirle a OP una aclaración, y si OP tiene problemas con los términos, tal vez podría ayudarlos a corregir la redacción.
R. Feynman discutiendo este tema en una parte de su conferencia para laicos: youtube.com/watch?v=EYPapE-3FRw
Invocar a la galaxia de Andrómeda parece un poco tonto. Puede probar que la velocidad de la luz es constante en un conjunto de marcos de referencia y obtener un nivel de confianza bastante bueno de lo que sostiene la ley. Todo el mundo entiende que nuestros experimentos técnicamente solo se aplican a las leyes de la física en la Tierra y sus alrededores.
Observamos muchas cosas que caían y obtuvimos un "bastante buen nivel de confianza en que la ley [la gravedad de Newton] se cumple". Luego descubrimos las perturbaciones en la órbita de mercurio que no podían explicarse de esa manera. No es tonto. Es este escepticismo lo que conduce al descubrimiento. Sin embargo, esta sección de comentarios no es el lugar para tal debate filosófico. No tengo nada que agregar a mi respuesta y lo dejaré aquí.
@benxyzzy Dejando a un lado las cuestiones filosóficas: evaluamos qué hechos elevar a axiomas por su poder predictivo: por ejemplo, "mi bolígrafo estará en mi escritorio dentro de cinco minutos" es cierto, pero fuera de un dominio muy limitado no tiene poder predictivo . En 1904 las Ecuaciones de Maxwell predicen la velocidad de la luz. ¿En qué marco? ¿Cuál es el medio de propagación? ¿Cómo pasas a otro marco? etc. Einstein, con un trazo de la pluma hizo desaparecer todos estos problemas en el vacío y encontró una teoría unificada del electromagnetismo y la mecánica. La predictibilidad de "v = c" es difícil de sobrestimar.
Quiero agregar una cosa: v = C es también una afirmación muy natural sobre el espacio y el electromagnetismo. Una vez que está lejos de todo, ¿por qué una onda EM debería saber algo sobre el movimiento de algunos marcos de coordenadas? Ahora bien, dicho así, la declaración es muy fácil de aceptar PERO eso es así, porque a diferencia de los predecesores de Einstein, no tenemos prejuicios con concepciones complicadas de lo que es el vacío más allá del "volumen de espacio donde las ondas EM se propagan de acuerdo con las ecuaciones homogéneas de Maxwell ."
@TheoreticalMinimum Tú lo empezaste. Y por supuesto que no quieres entrar en este debate, porque la posición que intentas defender es ridícula. Los efectos relativistas explicaron el misterio de Mercurio, pero absolutamente pueden probarse en la Tierra. Su argumento original de que la relatividad especial es axiomática y desafía la prueba experimental porque "algo algo, ¿qué hay de lejano?" es una tontería. No hay ningún sentido en el que la relatividad especial sea axiomática, pero otros conocimientos científicos como el punto de ebullición del metano no lo son.
@BrianGordon Sentí que el primer comentario de tobi_s abordó el problema. De hecho, podría adoptar el punto de vista ingenuo de que todo lo que observa es un axioma. Sí. Pero muchas de estas observaciones no tienen que enunciarse como axiomas, sino que pueden deducirse de otros hechos. Y para mantener su lista de axiomas lo más corta posible, solo le da a los hechos con el mayor poder predictivo el estado de un axioma, todos los demás hechos son entonces teoremas. Esto es lo que buscan los físicos: una teoría unificada, basada en un conjunto muy pequeño de axiomas, no en una lista interminable de verdades.

Es difícil entender completamente lo que está preguntando, pero aquí hay algunas cosas que pueden ayudar:

  1. Los experimentos de Michelson-Morley (MM) no muestran que la velocidad de la luz sea constante, simplemente descarta tipos particulares de éter (el tipo que puede fluir libremente entre partículas). El éter es la supuesta cosa en la que las ondas de luz "oscilan".

  2. Tienes razón al decir que es un razonamiento circular.

  3. Las ecuaciones de Maxwell no prueban que la velocidad de la luz sea constante. Pero lo sugieren si también asume que no es posible saber en qué marco se encuentra.

  4. Einstein llegó a sus conclusiones basándose en el instinto de que el electromagnetismo tenía que obedecer al principio de la relatividad. Dio un paso más allá y decidió elevar la idea a un principio y ver a qué conducía.

  5. No hay prueba de que la velocidad de la luz sea constante, excepto el experimento; no puedes hacerlo teóricamente. Hay algunos argumentos posteriores a Einstein, basados ​​en la idea de causalidad, etc.

  6. Recuerde que Einstein hizo física teniendo convicciones sobre la forma en que funcionaba el mundo y esto funcionó excepcionalmente bien para la relatividad pero no para la no localidad cuántica.

Las ecuaciones de Maxwell dictan que la velocidad de la luz es C en todos los marcos en los que las ecuaciones de Maxwell son válidas. Por tanto, si las ecuaciones de Maxwell son válidas en todos los marcos inerciales, entonces la velocidad de la luz tiene que ser la misma en todos los marcos inerciales. Además, es un poco exagerado decir que los postulados de Einstein se basaron en instintos viscerales. Había fuertes razones teóricas para sospechar que las ecuaciones de Maxwell eran verdaderas en todos los marcos inerciales.
Que yo sepa, las ecuaciones de Maxwell no dictan el segundo principio de la relatividad. La velocidad de la onda aparece en las ecuaciones de Maxwell tal como aparece en las ecuaciones de onda del sonido, que no son covariantes. Si hay una derivación que demuestre eso, por favor comparta un enlace.
Las ecuaciones de @kotozna Maxwell son considerablemente diferentes de las ecuaciones de fluidos. En particular, no existe un análogo de la velocidad global, lo que crea un marco de referencia preferido y no linealidad en las ecuaciones.
@eyeballfrog: Lo sabemos ahora , pero si fuera un físico del siglo XIX, la idea de un marco de descanso preferido (es decir, el marco de descanso del éter) todavía era una posibilidad real.
@eyeballfrog Claro, tienes que hacer aproximaciones para llegar a un fluido, pero una vez que lo haces, hay análogos de vectores y ecuaciones de onda de potencial escalar. Es posible construir la relatividad especial para las ondas de ultrasonido, por ejemplo (esto se ha hecho). Es posible tener características no lineales que se propagan en un fluido que no tiene una velocidad aparente asociada.

Se pensaba que ese algo era el éter, pero en ausencia de eso, ¿por qué no podría ser relativo a lo que sea que lo emitiera?

Este parece ser el punto clave de su pregunta.

Ahora bien, históricamente hablando esta alternativa ya había sido descartada por razones teóricas, porque no es compatible con las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, ya que está pidiendo evidencia experimental, considere las observaciones astronómicas de los sistemas estelares binarios: parece obvio que si la velocidad de la luz proveniente de una estrella en la parte de su órbita cuando se acerca a nosotros fuera diferente a la velocidad de la luz viniendo de la misma estrella en la parte de su órbita cuando se aleja de nosotros, provocaría efectos observables.

Para ayudar a cuantificar la medida en que hacer que la velocidad de la luz sea relativa a la velocidad de la fuente de luz afectaría las observaciones astronómicas, hice una búsqueda en Google de la frase "observaciones astronómicas sistemas binarios de estrellas velocidad de la luz" y encontré este artículo de Tedd Bunn, presidente del departamento de física de la Universidad de Richmond. La respuesta es que el efecto sería extremadamente obvio:

podría preguntarse si este efecto sería significativo para los sistemas estelares reales. La respuesta es que resulta ser extremadamente significativo. La razón es que las estrellas están muy lejos. Eso significa que, aunque la diferencia en la velocidad de la luz en la parte superior e inferior de la órbita sería muy pequeña, la luz más rápida aún tendría mucho tiempo para alcanzar a la luz más lenta. De hecho, en los sistemas estelares reales, terminarías viendo no solo tres o cinco imágenes de la estrella, sino miles de imágenes.

No hace falta decir que no vemos ese tipo de cosas en absoluto, y eso proporciona una evidencia extremadamente fuerte de que la velocidad de la luz no depende de si la fuente se mueve hacia ti o se aleja de ti.

Me sorprende que esto no se haya mencionado anteriormente (a menos que haya leído mal), porque esta es una respuesta muy adecuada que parece haber sido ignorada por otros.

No veo cómo demostró que el movimiento hacia una fuente de luz, por ejemplo, no afecta la velocidad del observador en relación con la luz, ya que no había partes móviles en el experimento.

Dado que la tierra se está moviendo a través del espacio - y que el aparato experimental estaba en reposo con respecto a la tierra - se deduce que el aparato experimental estaba en movimiento con respecto al vacío del espacio. Y si ese es el caso, el experimento debería haber medido diferentes velocidades de la luz en diferentes direcciones. En cambio, sin embargo, midió una velocidad isotrópica de la luz.

Los físicos interpretaron este resultado "nulo" como evidencia de que la velocidad de la luz es independiente del movimiento del observador. Es decir, los observadores siempre miden una velocidad isotrópica de la luz, incluso cuando están en movimiento.

Ese es el origen del "principio de la constancia de la velocidad de la luz".

Si no le asustan las interpretaciones alternativas, puede encontrar interesante el siguiente enlace: enlace .

Como hecho independiente, el hecho de que nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz sería extremadamente difícil de probar (y no lo prueba el experimento de Michelson-Morley). Pero ese hecho está integrado en la transformación de Lorentz., uno de los principios clave de la relatividad especial. De hecho, la transformación de Lorentz es tan fundamental que uno puede pensar en ella como parte del "sistema operativo" en el que se basa gran parte de la física moderna; si no fuera una ley fundamental de la naturaleza, casi toda la física tal como la conocemos. simplemente no existiría. Y este es un vasto cuerpo de conocimiento cuya validez no solo se ha demostrado experimentalmente en innumerables experimentos, sino que es esencial para el funcionamiento de muchos dispositivos tecnológicos, incluidos algunos que vemos a nuestro alrededor en nuestra vida diaria. Entonces, el hecho de que todos estos dispositivos tecnológicos funcionen como se supone que deben proporcionar evidencia amplia (aunque indirecta) de que la velocidad de la luz es el límite de velocidad universal.

Un par de ejemplos específicos sobre los que puede leer en varios lugares (p. ej., en este artículo) son televisores anticuados basados ​​en tubos de rayos catódicos y pistolas de radar para medir la velocidad utilizadas por la policía, inventos que deben tener en cuenta la relatividad en su diseño. Por ejemplo, en los televisores CRT, un haz de electrones de alta velocidad es desviado por un campo magnético para golpear un punto específico en la pantalla del televisor, lo que hace que ese punto se ilumine. Estos electrones se mueven a una fracción bastante considerable de la velocidad de la luz (20-30 por ciento según el artículo al que me vinculé), por lo que la relatividad predice que tienes que "empujarlos" con una fuerza mayor para desviarlos por la derecha. cantidad que lo haría bajo la mecánica newtoniana. Este es un ejemplo de cómo la masa inercial de un cuerpo crece a medida que aumenta su velocidad, de acuerdo con una fórmula que haría que la masa se acercara al infinito cuando la velocidad del cuerpo se acerque a la velocidad de la luz. Entonces,

Puedo ver cómo se podría argumentar que las transformaciones de Lorentz (o, más precisamente, el hecho de que el cambio de marcos de referencia corresponda a las transformaciones de Lorentz) muestran que si algo viaja más lento que C en un marco de referencia, entonces no está viajando más rápido que C en cualquier marco de referencia, pero no veo ningún argumento para la afirmación de que muestran en general que nada puede viajar más rápido que C .
@Acccumulation la forma en que lo pienso es que la transformación de Lorentz es la definición de lo que significa "viajar con velocidad v en un mundo relativista. Dado que solo puede aceptar parámetros v con | v | < C , esas son las velocidades a las que uno puede viajar. Por supuesto, siempre se puede plantear la hipótesis de algún mecanismo exótico para viajar más rápido que C eso no implica movimiento lineal inercial en el marco de las transformaciones de Lorentz (teletransportación, agujeros de gusano, etc.). Pero dentro del sentido de “viajar con velocidad C ” que nos ofrece la relatividad “vainilla”, | v | < C es la única opción.
(Y gracias por su corrección "más precisa"; de acuerdo, eso fue un ligero descuido en mi idioma).

El problema es más sutil que eso, y la forma en que lo expresaste es técnicamente incorrecta. Hay "marcos de referencia" que puede crear en los que la luz, o los fotones, viajan con una velocidad diferente. Esto salió aquí:

(hmm, no puedo encontrar el enlace atm)

haciendo referencia al caso de pensar en el punto de vista de una persona que gira: las estrellas a grandes distancias parecerán moverse "más rápido que la luz" gracias a v = r ω , y también lo serán los fotones, es decir, la "velocidad de la luz" será mayor , de hecho, a una distancia adecuada, arbitrariamente alta. (Por ejemplo, si gira a un ω de 1 rad/s, y r incluso 1   PAG metro , es decir, sólo 1/40 de la distancia a la estrella más cercana al Sol, ya la v es 1   PAG metro / s , muy por encima de C , es decir 3 × 10 − 7   PAG metro / s en esta escala.)

En la relatividad especial no se menciona, pero es crucial en la relatividad general, y dado que la relatividad general incluye la relatividad especial como un caso especial (de ahí el nombre), se aplican las mismas consideraciones, técnicamente hablando.

La relatividad es realmente una teoría del espacio y el tiempo y, como se dijo, "requiere el lenguaje de los eventos, no de las cosas" ( ref ). Más particularmente, la relatividad es una teoría sobre las leyes que rigen los flujos de información en todo el Universo. En su forma más pura, en realidad solo nos preocupa un tipo de pregunta, y es esta:

"¿Puedes enviar un mensaje desde el evento A al evento B ?"

Los "eventos" son simplemente puntos en el espacio-tiempo, a los que adjuntamos un significante. La respuesta a esta pregunta es "sí" o "no", una respuesta binaria. Para cada par de eventos en el espacio-tiempo, podemos hacer esa pregunta, y la teoría de la relatividad proporciona un marco matemático que describe cuándo la respuesta es "sí" y cuándo es "no". También nos permite averiguar cómo se ven las cosas desde el punto de vista de estar dentro de un universo donde la información que recibimos está sujeta a estas restricciones, es decir, lo que podemos y no podemos recopilar de la información que nos llega en los pequeños puntos en el espacio-tiempo que tenemos. ocupar. Toda la "rareza" de la relatividad se remonta básicamente a esto. La relatividad especial describe la forma de esas relaciones en ausencia de materia., mientras que la relatividad general describe cómo se alteran por la presencia de materia .

Los sistemas de coordenadas, o "marcos de referencia", son simplemente formas de etiquetar eventos. Las etiquetas que les pones no cambian las relaciones entre ellos. Si etiqueto el interior de mi casa como "cooties" y el exterior como "znabby", eso no cambia la relación básica de interioridad/exterioridad que existe entre ellos más que si los etiqueto como "adentro" y "afuera", respectivamente. (Lo mismo si decido llamar confusamente al exterior "adentro" y al interior "afuera".)

Lo que muestra el experimento de Michelson-Morley no es directamente una declaración sobre lo que sucede en los marcos de referencia, o una declaración sobre "éter", incluso -es completamente lógicamente posible imaginar un espacio-tiempo minkowskiano lleno de un medio etérico tal como uno Se puede imaginar un galileo tan lleno. Más bien, es una demostración de que el comportamiento de las comunicaciones -de los mensajes- obedece al primer conjunto de reglas de flujo, no al segundo.

Y esas reglas pueden describirse esencialmente diciendo que existe una clase de marcos de referencia (coordenadas, etiquetas) que se pueden colocar en los eventos, de modo que la permisibilidad de la comunicación toma la forma de un límite de velocidad, y la transformación entre estos marcos deja dicho límite de velocidad fijo. Los marcos de referencia se derivan de los límites, no que los límites se deriven de los marcos de referencia. Y un resultado más del experimento es que nos muestra que la luz, específicamente, es un medio de comunicación de la vida real que satura el límite de velocidad universal (al menos hasta los límites de error del experimento, por supuesto).

Cuando los vuelve a etiquetar con otra cosa, como un marco de referencia giratorio, por supuesto que estas relaciones se vuelven más difíciles de describir matemáticamente, pero siguen siendo las mismas en el sentido de que en ambos marcos notará que la comunicación entre los mismos conjuntos de eventos es o no es. imposible Por ejemplo, si bien la luz puede ir "más rápido que la luz" en el marco giratorio, no verá ninguna nave que haga un viaje desde la Tierra a Próxima b en menos de 4,3 años (salvo, por supuesto, cosas potenciales como agujeros de gusano que requieren GR e incluso más, física post-GR aún desconocida para tratar completamente y también para evaluar la (im) posibilidad de).

Ahora, en cuanto a por qué las reglas de comunicación en nuestro Universo toman esta forma, realmente no hay una respuesta, al menos que pueda tener en la física y hasta donde sabemos. La única forma en que puede responder "por qué" en física es si puede derivarlo, como sugiere, de un principio más fundamental, y su argumento circular muestra que no puede, y además, cuando se expresa como arriba parece bastante maldito ya es fundamental, así que dudo que alguna vez encontremos tal razón. Tienes que empezar en alguna parte.

La mejor manera de transmitirlo es simplemente decir que nuestra totalidad de observación empírica ha sido consistente con la idea de que el Universo tiene un límite de velocidad y no se han encontrado excepciones. Eso es todo; es "cómo se hizo".

Hay varios problemas al reclamar una "prueba" empírica de que la velocidad de la luz es constante:

  1. El problema de la inducción: MM probó varias condiciones diferentes, y el resultado de tiempos de viaje idénticos fue inconsistente con varias hipótesis que involucraban diferentes velocidades de la luz. Sin embargo, no hay forma de descartar de manera concluyente todas las hipótesis a través del experimento. Todo lo que podemos decir es que, en este punto, la navaja de Occam respalda firmemente la constancia de la velocidad de la luz.

  2. La imposibilidad de medir la velocidad de la luz de un punto a otro: Es imposible medirel tiempo que tarda la luz en ir de un punto a otro. La razón de esto es que para medir la velocidad de la luz desde el punto A hasta el punto B, necesita saber la hora a la que la luz salió del punto A y la hora a la que llegó al punto B, lo que significa que necesita sincronizar su relojes en los dos puntos. Hacerlo requiere enviar una señal de un punto a otro con una marca de tiempo y luego ajustar el tiempo de viaje. Pero ajustar el tiempo de viaje requiere saber el tiempo que tomó, lo que lleva a un razonamiento circular. La única forma de medir realmente la velocidad de la luz es medir el tiempo de ida y vuelta, que luego te da la velocidad promedio (para el significado apropiado de "promedio"). Si asumimos que la luz viaja a la misma velocidad hacia nosotros y hacia nosotros, entonces la velocidad en cualquier dirección es igual a la velocidad promedio.

  3. "Marco de referencia" es una categoría amplia: en el sentido más amplio, "marco de referencia" simplemente se refiere a un sistema de coordenadas. Probablemente te refieres a " marco de referencia inercial ". En el marco de referencia no inercial, la velocidad de las coordenadas de la luz no es constante. Así, en gran medida, "la velocidad de la luz es constante" no es una afirmación sobre el mundo empírico, sino sobre sistemas de coordenadas. Básicamente, es "La velocidad de la luz es C en cualquier sistema de coordenadas 'razonable'".

Si dejamos de lado esas objeciones, entonces MM fue razonablemente concluyente.

no había partes móviles en el experimento.

Bueno, tuvo lugar en la Tierra, y la Tierra se está moviendo en el marco de referencia del sistema solar.

No veo cómo demostró que el movimiento hacia una fuente de luz, por ejemplo, no afecta la velocidad del observador en relación con la luz.

MM comparó la velocidad de la luz cuando viajaba perpendicular al movimiento de la Tierra versus paralelo. Si el movimiento del detector en relación con la luz afectara la velocidad, esas dos condiciones habrían arrojado resultados diferentes. Imagina un río, y comparas remar en un bote a través del río y de regreso, versus remar río abajo y luego regresar. Los tiempos de viaje para esos dos viajes de ida y vuelta serán diferentes, porque la velocidad del bote cambia dependiendo de si viaja a favor, en contra o perpendicular a la corriente. De manera similar, si la velocidad de la luz se ve afectada por si viaja a favor, en contra o en paralelo al movimiento de la Tierra, entonces MM habría encontrado una diferencia en el tiempo de viaje.

Se pensaba que ese algo era el éter, pero en ausencia de eso, ¿por qué no podría ser relativo a lo que sea que lo emitiera?

Dentro del marco de las ecuaciones de Maxwell, la propagación de la luz se debe a un campo eléctrico cambiante que provoca un campo magnético cambiante que provoca un campo eléctrico cambiante, etc. Una vez que tienes eso, la velocidad de propagación se deriva de las constantes en las ecuaciones de Maxwell. Para que la velocidad de propagación dependiera de la velocidad del emisor, sería necesario que estas constantes cambiaran de alguna manera en función de la velocidad del emisor.

Se puede demostrar mediante experimentos que cuando se emite luz desde una fuente en movimiento, su longitud de onda cambia pero su velocidad no. La galaxia de Andrómeda es un ejemplo. Para demostrar que los cambios en la longitud de onda no afectan la velocidad de la luz, podrías disparar varios láseres de diferentes colores al reflector que los astronautas colocan en la luna. Debería obtener un pulso de retorno en aproximadamente 2,5 segundos (el tiempo varía ligeramente según el lugar exacto en el que se encuentre la luna en su órbita elíptica). Si todos los colores regresan exactamente al mismo tiempo, habrás probado que aunque un cambio de velocidad de la fuente cambiará la longitud de onda, un cambio de longitud de onda no significa que haya un cambio de velocidad.

En respuesta a la pregunta n.º 1, sí, hay cosas que te faltan sobre el experimento MM y qué mostró exactamente y por qué. Muchas descripciones excelentes y detalladas están disponibles; ¿Has consultado a alguno de ellos? Con respecto a la derivación de Maxwell de

C = 1 η m ,
el no obtuvo C = (esa expresión) ± (la velocidad del laboratorio), lo que significa que la relatividad especial se entretejió en sus ecuaciones de una manera que tuvo que esperar a que Einstein la descubriera definitivamente.

Creo que una vez que haya comprendido (#1), podrá responder (#2), pero estoy dispuesto a concederle el punto a uno de los expertos en este sitio.

¿Cómo puedo demostrar que la velocidad de la luz en el vacío es la misma en todos los marcos de referencia?
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