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

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

Esto no es verdad. Desempeñó un papel histórico importante, pero de ninguna manera es teóricamente "único" porque el fotón viaja a una velocidad c. De hecho, el gluón también viaja a una 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 donde todas y sólo las partículas sin masa viajan a una velocidad c. En otras palabras, el fotón es solo históricamente central para la relatividad, no conceptualmente.

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

Prácticamente ha respondido a su propia pregunta, porque esto es exactamente correcto. Históricamente, las cuestiones relacionadas con los marcos de referencia inerciales y el electromagnetismo condujeron al desarrollo de la relatividad especial. Dentro de la relatividad, aparece una importante constante de velocidad. Si de hecho el fotón no tiene masa, entonces esta velocidad debería ser la misma que la velocidad de la luz. Incluso si el fotón resultara ser masivo, esto de ninguna manera nos obliga a reescribir nuestra teoría. Simplemente significa que la herramienta histórica que usamos para construir la relatividad no era exactamente lo que pensábamos que era, pero estaba lo suficientemente cerca 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:

Una perspectiva alternativa rápida:

1. No precisamente. La relatividad solo requiere la existencia de una velocidad invariante$c$, no requiere que nada viaje realmente a esa velocidad. Entonces, si los fotones fueran masivos, no habría problema, aunque algunos resultados en cosmología podrían tener que modificarse un poco.
2. Prácticamente cada vez que lo ves,$c$significa la velocidad invariante. Entonces, si se descubriera que los fotones son masivos, tendríamos que usar algún otro símbolo para la velocidad a la que realmente viaja la luz, y tenga en cuenta que ya no sería una constante fija, porque en ese caso la velocidad de la luz sería la referencia. dependiente del marco. En algunas circunstancias verás$c$se utiliza para denotar la velocidad de una onda, que puede no ser necesariamente la velocidad invariable de la relatividad, pero son relativamente raras y, por lo general, bastante fáciles de distinguir del contexto.

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

Como anticipa la frase " ... uhh... " en su pregunta:
hay algo de devastación al acecho en esa pregunta; es decir, una contradicción con la comprensión esencial de " luz " como "cualquier señal, asociada con el frente de la señal " con el fin de definir nociones geométricas (o cinemáticas) como

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

• duración, o al menos: ratios de duración,

• distancia (entre participantes que están en reposo unos respecto de otros), 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 se debe simplemente a que (los sistemas constituidos por) cargas electromagnéticas son especialmente comunes y conspicuos en nuestro rincón/era particular de la Tierra. universo.

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

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

En el enfoque inicial de Einstein sobre la geometría relativista y la cinemática, la definición de (cómo medir) la distancia todavía aparece invertida (y no libre de coordenadas):

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

La comprensión de (cómo medir) la "distancia" como una noción que debe definirse en primer lugar ha sido expresada posteriormente por Einstein posiblemente en la prescripción de que

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

y más explícitamente quizás por JL Synge ["Relatividad. La teoría general", p. 108]:

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

los tres se mueven a la misma velocidad constante que es c. la razón para demostrarlo es que las ondas de gravedad viajan a la misma velocidad. E incluso los efectos de la gravedad viajan a una velocidad c. Esa es la razón por la que digo que la estructura del espacio-tiempo solo puede cambiar a esta velocidad. ¿Estoy en lo cierto al decir que la velocidad de la luz es finita porque la estructura del espacio-tiempo en sí necesita adaptarse de alguna manera a las ondas EM que pasan a través de él? ¿Tengo razón en que nadie ha combinado aún la gravedad con QM? En QM actualmente dicen que cada partícula tiene su propia función de onda que describe su distribución de probabilidad en y alrededor de sus coordenadas en el espacio. GR explica los efectos de la gravedad, pero no explica cómo funcionan. Dado que las ondas EM solo pueden propagarse a través del espacio con velocidad c, y los efectos de la gravedad solo pueden propagarse con la misma velocidad,

Ahora bien, la razón de esto es que el espacio mismo solo puede cambiar su propia estructura a esta velocidad. ¿Por qué? Combinemos GR con QM. Digamos que no solo 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. Entonces, en el espacio, cada coordenada 3D no solo sería un punto, sino que también tendría una función de onda en sí misma. Al igual que QM también dice que el espacio no está vacío, tiene campos Q en todas partes. Entonces, 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, como lo hace la función de onda normal (que pertenece a la partícula misma) con la partícula, solo muestra la distribución de probabilidad de la partícula en sus propias coordenadas y alrededor de ella en el espacio. Entonces, el espacio en sí no solo tendría Qfields en cada coordenada espacial, 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 neutral de posibilidades (0 muy probablemente para sus propias coordenadas y las coordenadas del espacio circundante).

La función de onda para el punto B mostrará lo mismo. Ahora, si un fotón ingresa al punto A, la función de onda del punto A comenzará a cambiar y primero mostrará mayores probabilidades en las coordenadas espaciales que lo rodean en la dirección de la que proviene el fotón, y luego, cuando el fotón pasa por el punto A, la función de onda del punto A mostrará mayores probabilidades a lo largo de la forma en que el fotón pasa a través de él y su entorno espacial, eventualmente en las coordenadas centrales de A y luego en la dirección del paso del fotón.

Eventualmente, cuando el fotón pasó por el punto A, la función de onda para el punto A mostrará probabilidades más bajas en las coordenadas espaciales circundantes desde donde vino el fotón, y en las coordenadas del centro del punto A, y mostrará probabilidades más altas en la dirección en que pasó el fotón. Luego, a medida que el fotón se mueve hacia el punto B, la función de onda para el punto B y sus alrededores espaciales comenzarán a mostrar mayores probabilidades en la dirección de donde proviene el fotón (esa es la dirección desde el punto A), y a medida que el fotón pasa por el punto B , mostrará mayores probabilidades a lo largo de la forma en que el fotón pasa a través de él. Eventualmente, el fotón pasará por el punto B y continuará su camino hacia el punto C. En algún punto, la función de onda del punto A volverá a ser neutral nuevamente,

Ahora combinemos esto con gravedad y GR. Digamos que hay una gran masa gravitacional en el punto B. El punto A está "vacío", pero aún dentro del campo gravitatorio de la gran masa. Entonces, la gran masa en el punto B tendrá un efecto gravitacional en el punto A. ¿Cómo? bueno, la función de onda en el punto B no será neutral, ya que el efecto de la enorme masa en el punto B tendrá un efecto en el punto A también. ¡También cambiará 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 menores probabilidades para sus propias coordenadas, y en la otra dirección (no hacia B). Entonces, ¿cómo funciona la gravedad si combinamos GR y QM? Digamos que llega un fotón desde el punto C, que está aún más lejos de la masa gravitatoria.

A medida que el fotón se dirige al punto A, debería pasar como en el ejemplo anterior, ¡pero no lo hará! ¿Por qué? Porque en el ejemplo anterior, A y B estaban fuera de cualquier campo gravitatorio y tenían valores de distribución de posibilidad neutrales para sus propias coordenadas y también para su entorno espacial. Pero ahora, hay una masa gravitacional en el punto B, ¡que también afecta la función de onda del punto A! Entonces, 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 gran masa.

Entonces, 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 (eso ya está en QM, solo otra matriz de distribución de posibilidades para la coordenada real del fotón y su entorno espacial). Entonces, cuando las dos matrices se combinan, la función de onda para el punto A cambiará la dirección del fotón a medida que pasa, tal como predice GR. Y tal como predice QM, todo se describirá mediante la combinación de funciones de onda y distribución de probabilidades. La función de onda actual del QM también permanecerá intacta ya que el fotón también mantendrá su propia función de onda (eso debería verse como un vector de momento,

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

La conexión 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 solo son exactamente correctas (y la luz solo se propaga en c) si el fotón no tiene masa.

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