¿El Principio de Relatividad de la Relatividad Especial implica homogeneidad e isotropía de todos los marcos de referencia?

En el libro de Rindler: Relatividad, Especial, General y Cosmológica, se afirma en la página 40 que el Principio de Relatividad (PR), cuando se aplica a un solo Marco Inercial (FI), garantiza la homogeneidad e isotropía de ese FI. Por marco inercial, Rindler se refiere a un cuerpo rígido ideal extendido al infinito que se mueve libremente en un mundo sin gravedad. Esto es distinto de un sistema de coordenadas inercial, que debe entenderse como un IF más, en él, una elección de coordenadas estándar X , y , z y t . Como él dice, el RP se refiere a sistemas de coordenadas inerciales: las leyes de la física son invariantes ante un cambio de sistemas de coordenadas inerciales.

No puedo entender por qué esto implica homogeneidad e isotropía de un IF. Si supongo la existencia de una dirección especial en algún marco de referencia inercial, podría imaginarme alguna ley física que gobierne la propagación de alguna señal (puede ser la luz si se quiere, pero no es necesario), y si midiendo la velocidad de esta señal en dos direcciones diferentes y obtengo dos resultados diferentes, esto violaría la isotropía de la FI y al mismo tiempo podría escribir la ley física de forma invariable bajo cambios de coordenadas dentro de la FI (claro, dependería de la especial dirección) y esto estaría de acuerdo con el RP como se indicó anteriormente. ¿Qué tiene de malo mi razonamiento?

He editado nuevamente mi pregunta, ya que supongo que el ejemplo que di no es tan claro, porque si supongo que la longitud de la barra es diferente comparando en muchas direcciones, esto podría detectarse solo si la anisotropía del espacio afecta de manera diferente diferentes composiciones de objetos. De lo contrario, la varilla muy estándar utilizada para realizar mediciones también se cambiaría y la anisotropía (falsa) pasaría desapercibida.

Respuestas (3)

Creo que tienes razón en que el Principio de la Relatividad no implica que el marco sea isotrópico. La primera es una afirmación sobre las leyes físicas, es una especie de meta-ley. La isotropía de un marco es una declaración sobre el carácter interno del marco, es decir, sobre algo que puede verse como un cuerpo físico.

Considere este sistema inercial: una pieza de cristal con una dirección preferida (digamos, berilo con estructura cristalina hexagonal). Creo que aquí podrían coexistir el principio de relatividad y la anisotropía del marco.

(Sin embargo, su idea sobre la aceleración universal no funciona bien, porque la ecuación se mantiene en un marco que no acelera junto con los cuerpos, y dicho marco no califica como inercial. El marco que se mueve con los cuerpos sí califica como inercial, pero la ecuacion hay F = metro a que es isótropo.)

Gracias por la respuesta. Estoy de acuerdo en que el marco de referencia en mi ejemplo se describe mejor como un marco no inercial, mientras que las RF que caen en este campo de fondo se califican mejor como inerciales. Era consciente de esto, pero creo que ilustra la falta de relación de la RP con la isotropía de la RF.
Con respecto a su ejemplo de éter, también estoy de acuerdo en que es un ejemplo de marco de referencia isotrópico que viola RP. Sin embargo, lo que dice Rindler es que RP implica homogeneidad e isotropía, pero la homogeneidad e isotropía de un RF no implica necesariamente el RP. Una declaración similar que concentra este razonamiento en la dirección inversa es que: la homogeneidad e isotropía de todos los RF inerciales implica el RP. En el caso del éter, solo el resto de RF del éter es isotrópico, cualquier otra RF que se mueva contra el éter observaría una anisotropía.
Creo que estamos confundidos sobre el significado de "el espacio es isotrópico". ¿Es una propiedad dependiente del marco de referencia o independiente de él?
Ya veo, en el OP la isotropía depende del marco de referencia.
Ahora veo que el ejemplo del éter no era muy relevante. He editado la respuesta.
También edité mi pregunta debido a su reclamo contra mi mal ejemplo. Espero que el nuevo ejemplo que proporcioné pueda funcionar para la ilustración de mi pregunta. Creo que su ejemplo más sofisticado del cristal de berilo también funciona para el propósito. Solo quería enfatizar algunas consecuencias de las mediciones realizadas en esta RF anisotrópica.

No tengo a Rindler conmigo porque estoy de vacaciones, pero no creo que quiera decir que PR implica homogeneidad e isotropía, y tú mismo dices "''da que este marco debe ser homogéneo e isotrópico". Así que estoy casi seguro de que el venerable profesor Rindler estaría diciendo que es al revés en muchos casos: por ejemplo, la derivación del impulso de Lorentz a partir de los postulados de grupo asume que la medición de distancias y tiempos de un observador inercial no depende de en qué lugar del espacio se encuentran y en qué dirección van. Incluso si hay materia alrededor (un "poco", por lo que su tensor de energía de estrés puede quedar fuera de nuestros cálculos a menos que queramos ser realmente precisos, por ejemplopara sincronizar el sistema GPS), uno esperaría que su presencia no afectara la forma en que un IR mide sus coordenadas, incluso si alguna física se ve afectada por su presencia (por ejemplo, electromagnetismo , mecánica de fluidos).

Tiene toda la razón: las leyes físicas deben ser claramente independientes de las construcciones humanas como las coordenadas, pero esto es diferente de las nociones de homogeneidad e isotropía: en su ejemplo de anisotropía física, su principio de covarianza simplemente significa que la dirección de la anisotropía física debe ser, por supuesto, el mismo cualquiera que sea el sistema de coordenadas con el que lo consideremos.

En su ejemplo de una fuerza física constante en una dirección constante (un consejo: no escriba ese símbolo C para representar cualquier cosa que no sea la invariante de Lorentz C al pensar en la relatividad, a menos que sea un verdadero fanático del castigo y le guste confundirse :)) incluso la medida del tiempo y la distancia dependería de la posición y la dirección: si todo siente una fuerza aparente relativa a un observador, eso los acelerómetros del observador estarían mostrando una aceleración y el observador no sería inercial: su situación sería equivalente a la del ascensor/chip de cohete en constante aceleración estudiado en GR y probablemente encontraría más fácil hacer sus cálculos en el venerable profesor Rindler . propias coordenadas .

Me disculpo por el mal inglés. Tal vez esto haya causado algunos malentendidos. He editado mi pregunta para tratar de satisfacer la suya y la de Ján Lalinský. En cuanto a la declaración del prof. Rindler usé sus palabras y sustituí la frase "dar ese marco..." por "garantiza el..." Creo que esto expresa más claramente que no está diciendo al revés para mi entendimiento. En segundo lugar, cambié el ejemplo, ya que estoy de acuerdo en que la aceleración espontánea invalida mi RF como inercial. Espero que esto solucione los problemas planteados en contra de mi razonamiento.
Lo siento, creo que tendré que sentarme y echar un vistazo detallado a lo que dice el profesor Rindler cuando vuelva a mi oficina. Al pensarlo, estoy de acuerdo en que los postulados de la relatividad en.wikipedia.org/wiki/Principle_of_relativity pueden implicar homogeneidad / isotropía y, por el contrario, dependiendo de la redacción exacta de los postulados de la relatividad: son todas ideas fundidas en el mismo molde. y, dependiendo de la declaración exacta utilizada, bien podrían derivarse unos de otros. Tendré que mirar las palabras exactas y el contexto del profesor Rindler.
@ user37166 Olvidé decir: no necesita disculparse por su inglés, es perfecta y admirablemente funcional: los malentendidos sobre nociones precisas como estas también les suceden a los hablantes nativos: ¡observa la necesidad de este sitio, por ejemplo!

El capítulo 27 de Gravitación proporciona una mejor comprensión de esta afirmación. La selección de un marco de referencia inercial surge en la discusión de la homogeneidad. La homogeneidad en el sentido más general significa que el universo es "el mismo" en todas partes en cualquier momento dado (por ejemplo, algún conjunto de parámetros o ecuaciones gobernantes o lo que sea que sea igual en todos los puntos del espacio durante un momento dado).

Esto se entiende fácilmente en las teorías no relativistas, pero está mal definido en las teorías relativistas. A menos que el espacio-tiempo sea plano, no hay marcos inerciales globales en la relatividad general. Esto significa que uno tiene que seleccionar un marco de inercia desde el cual se puede definir una hipersuperficie tridimensional similar al espacio.

Los eventos sobre la hipersuperficie tienen un marco de Lorentz local cuya superficie de simultaneidad coincide con la hipersuperficie. Las 4 velocidades de los marcos de Lorentz son ortogonales a la hipersuperficie.

La isotropía es una declaración de que un observador no puede distinguir una dirección espacial preferida de cualquier otra. Esto significa que todas las líneas del mundo son ortogonales a la hipersuperficie. Esto es importante porque no se puede hacer que el universo parezca isotrópico para todos los observadores, solo para aquellos que se mueven como parte del "fluido cosmológico". Esto se interpreta en el sentido de que los "observadores que se mueven conjuntamente" comparten la misma hipersuperficie y están de acuerdo en que el universo es el mismo en todas partes sin una dirección preferida. Los observadores que no se mueven juntos no verán el universo como isótropo, por ejemplo, un observador que se mueve en una dirección cerca de la velocidad de la luz verá un universo muy desplazado hacia el azul frente a él y un universo muy desplazado hacia el rojo detrás de él. , que claramente no es isótropo.

El Principio Especial de la Relatividad es entonces una declaración relacionada con los observadores en las hipersuperficies. Nos dice que los observadores en movimiento conjunto verán el mismo universo físico, pero podemos transformarnos sin problemas de una hipersuperficie en movimiento conjunto a otra. Cada observador descubrirá que está en reposo en relación con su hipersuperficie de homogeneidad y puede medir su velocidad en relación con esa hipersuperficie. Tan pronto como cambien de velocidad en alguna dirección (aceleren en alguna dirección), habrá una dirección definida identificada, rompiendo la isotropía.

Entonces, para responder a la pregunta, si elige una dirección preferida, está acelerando alejándose de su hipersuperficie original. Es la Relatividad General la que nos dice que aún puede formular sus leyes físicas para que sean invariantes bajo cambios de coordenadas . La elección de la dirección y su asociación con la aceleración significa que se encuentra en un marco de referencia no inercial, que no se rige por los principios de la relatividad especial.

Creo que la isotropía del espacio-tiempo es muy diferente de la isotropía del espacio a la que generalmente se hace referencia en los modelos cosmológicos. No estoy seguro de que hayas abordado lo primero en lugar de lo segundo.
La isotropía de @Muphrid del espacio-tiempo no es la isotropía utilizada en las discusiones de GR. La isotropía utilizada en GR es la de la hipersuperficie 3d, que es análoga a la instantánea de tiempo constante del universo en los enfoques newtonianos. Esto está bien definido en todos los textos de GR, incluida la Gravitación mencionada anteriormente.
Gracias Hal Swyers. Leeré tu respuesta detenidamente para poder realizar un comentario más apropiado en un momento.
@HalSwyers me parece que en su discusión ya se asume la isotropía del espacio y, si algún observador pudiera medir su propia velocidad contra la hipersuperficie homogénea, esto violaría la isotropía convirtiéndolo en un observador no inercial. Sin embargo, si no se asume a priori la isotropía, el observador no encontraría, por medio de medidas, una hipersuperficie homogénea de la que él mismo pudiera juzgar que tiene alguna velocidad relacionada. Entonces, creo que no puede decir que es un observador no inercial.