¿Qué principios o teorías fundamentales requiere la física moderna? [cerrado]

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

Si el experimento resultó ser correcto y confirmado por otros, ¿haría que repensar la física? ¿Qué otros conceptos son fundamentales para la física, que, si se refutan, necesitarían un replanteamiento radical?

Si esto suena demasiado juvenil y/o mal informado, comprenda que soy un lego, que no tengo nada, ni profesional ni académicamente, para tratar con la ciencia, directamente, y esta pregunta es por curiosidad. He desarrollado un gusto por las "cosas científicas" y he estado leyendo una variedad de literatura científica popular últimamente. Esta pregunta también fue provocada por lo que Sheldon Cooper dijo en uno de los episodios (estaba viendo una repetición).

En el contexto concreto del reciente experimento de neutrinos de Opera, esta pregunta se ha hecho aquí physics.stackexchange.com/q/14973/2451
@Qmehanic Gracias por el enlace. Pero creo que mi pregunta es un poco diferente y más amplia. Solo necesito saber los fundamentos absolutos sobre los que se construye el resto de la física que, cuando se refuten, provocarán un replanteamiento serio. La línea de apertura fue simplemente para poner las cosas en perspectiva.
Se demostró que las mediciones "más rápidas que la luz" eran el resultado de errores experimentales. Si ese informe hubiera resistido un nuevo examen y hubiera sido reproducible, habría sacudido los "cimientos". No es que sacudir los cimientos sea necesariamente algo malo, pero las supuestas pruebas en contra de la teoría de la relatividad y los principios de conservación deben ser consideradas cuidadosamente.
¿Qué experimento intentó demostrar recientemente que es posible ir más rápido que la luz? Hasta donde yo sé, la búsqueda de taquiones había sido abandonada en su mayoría por los físicos debido a la poca esperanza que teníamos de verlos alguna vez.

Respuestas (4)

Una piedra angular fundamental similar de la física es el principio de invariancia rotacional. Supongamos que el laboratorio encuentra que los neutrinos (o cualquier otra cosa) tienen diferentes tasas de oscilación cuando van en la dirección NS que en las direcciones EW, en el vacío, sin relación con nada más. Esto rompería la física tan gravemente como los neutrinos más rápidos que la luz. Si un laboratorio anunciara este resultado, se reirían de él, pero los neutrinos más rápidos que la luz son lo mismo con respecto al espacio-tiempo.

No hay pruebas publicadas de invariancia rotacional que sean tan buenas como las pruebas de la relatividad, en parte porque la violación rotacional es contraria a la intuición, por lo que nadie se molesta. Pero para un físico moderno, las violaciones de la relatividad son contrarias a la intuición exactamente de la misma manera.

Un segundo pilar fundamental es la invariancia de traducción. Este es el principio de que no hay forma de saber dónde estás en un sentido absoluto, sin medir en relación con otra cosa que está allí. Si encontramos un punto mágico --- una posición donde los muones no se descomponen, por ejemplo, y este punto está en algún lugar , no podrías moverlo, esto sería una violación de la invariancia de traducción. La invariancia de traslación es incluso más fundamental que la invariancia de rotación.

Los experimentos que mostrarían violaciones de estos son:

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

Si las observaciones de los neutrinos se mantienen, seguramente conducirán a una violación de la ley de conservación del centro de masa. 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.

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

  • Sin decoherencia irreversible en los sistemas fundamentales

Estos son los principales hechos experimentales sobre los que se construye la física moderna y que la física moderna no podría acomodar fácilmente. Los primeros cuatro son bastante seguros, pero Hawking intentó obtener una decoherencia irreversible en la física de los agujeros negros hace apenas 10 años.

Si los junta, hay caminos deductivos relativamente plausibles que conducen a las teorías de campos relativistas que se usan hoy en día. Si agrega algunas suposiciones tanto de naturaleza gravitacional como no gravitacional, encontrará 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 has terminado en términos de teorías fundamentales.

No era obvio para mí por qué la simetría traslacional debería ser más fundamental que la simetría rotacional.
@DWin: es solo una opinión tonta, la homogeneidad del espacio puede preservarse mediante una teoría invariante de traducción con ejes preferidos, de modo que se rompa la invariancia de rotación. Por ejemplo, si imagina un cristal con átomos diminutos, la teoría de la larga distancia es invariante de traslación y no invariante de rotación, y esto quizás sea psicológicamente correcto. Todas las teorías que postulan violaciones de la relatividad mantienen la invariancia de traducción exacta, por lo que la preferencia de los constructores de teorías es romper la relatividad primero, por lo que las invariancias rotacionales (como las violaciones de la relatividad) son menos convincentes, supongo.
Entonces, ¿la afirmación es que los constructores de modelos de juguete generalmente conservan las simetrías traslacionales pero están dispuestos a imaginar que se rompe la simetría rotacional? ¿Su afirmación no es que la mecánica clásica o la mecánica cuántica podrían sobrevivir a la falta de simetría/invariancia rotacional? (No planteé una preocupación sobre la métrica de Minkowski al cuestionar esta comparación).
@DWin: si por "abandonar la simetría rotacional" quiere decir "abandonar la simetría de Lorentz", entonces sí. La simetría de Lorentz es solo una generalización de la simetría rotacional, por lo que son comparables, pero la gente del modelo de juguete generalmente mantiene la invariancia rotacional. En última instancia, es solo una declaración sobre la psicología de los constructores de modelos de juguetes. La mecánica hamiltoniana y la mecánica cuántica pueden funcionar en sistemas sin simetrías en absoluto, no hacen ningún reclamo de simetría, solo que la dinámica es simpléctica o unitaria. Las simetrías en la naturaleza simplemente reducen los modelos a los que son empíricamente apropiados.
@RonMaimon Creo que al menos estás simplificando demasiado la equivalencia entre impulso y rotaciones espaciales. El grupo rotacional es compacto, a diferencia del grupo de Lorentz. Además, los diferentes roles que juega el tiempo en una teoría cuántica pueden hacer que Boost sea diferente. La equivalencia entre las rotaciones espaciales y el impulso no es tan obvia como aparentemente sugiere el enfoque 4d de la Relatividad Especial. La causalidad podría ser otra razón. Además, la inversión rotacional es más fundamental en cuanto a la ruptura de la inversión rotacional. implica violación de Lorentz, mientras que lo contrario es falso.
@RonMaimon Tenga en cuenta que no estoy diciendo que no sean equivalentes; solo que no es tan claro.
@drake: en la integral de trayectoria, no hay diferencia entre el tiempo y el espacio en la mecánica cuántica, excepto en la medida en que establezca condiciones de contorno. La relación entre rotaciones y impulsos en el formalismo de la integral de trayectoria es la misma que en la vista 4d clásica. Esta es la motivación de Feynman para hacer integrales de trayectoria en primer lugar, haciendo una mecánica cuántica de "espacio-tiempo". No considero que los impulsos y las rotaciones espaciales sean diferentes, ni la parte espacial es de alguna manera más fundamental que la parte de impulso, pero lo que sea que haga flotar su bote, todo es psicología, ambas simetrías son exactas.
"excepto en la medida en que establezca condiciones límite" ¿Eso no es suficiente? 1) Los estados asintóticos se definen con respecto al tiempo, no al espacio. 2) Las amplitudes (calculadas a partir de integrales de ruta como quieras) son causales. Causal es una propiedad del espacio-tiempo, ¿cuál es el equivalente del espacio-espacio? 3) El tiempo juega un papel en la mecánica cuántica en relación con la medición incluso cuando no hay evolución (H=0). Estoy de acuerdo en que ambos son exactos hasta donde sabemos, no estamos discutiendo eso.
@drake: si define las condiciones de contorno como lo hizo Schwinger, usando hipersuperficies similares al espacio y los valores precisos de los campos, entonces tiene razón, y el tiempo se distingue un poco (aunque conceptualmente menos que en otros formalismos). Pero si sigue a Wheeler y Feynman y define las condiciones de contorno a través de estados de dispersión, son ondas planas, y estas son concepciones asintóticas tanto en el tiempo como en el espacio. La formulación de la matriz S trata el espacio y el tiempo por igual, incluso en las condiciones de contorno. La causalidad en S-matrix es analiticidad, que no es una propiedad del espacio-tiempo.
¡S-matrix está conectado con el cambio en el tiempo, no en el espacio!
... con respecto a la medición, ese es un tema filosófico, tomo muchos mundos para evitar tratar con la filosofía. Las ideas modernas de la matriz S son holográficas, por lo que imagina que toda la dinámica está sucediendo en un horizonte cosmológico, de modo que ya no existe una diferencia real entre el espacio y el tiempo, ambos pueden considerarse reconstruidos a partir de la teoría de los límites, pero en el límite, puede considerar el tiempo límite como distinguido, bla, bla, es principalmente filosofía. Por cierto, también es posible definir integrales de trayectoria de contorno utilizando condiciones de contorno de espacio en todo momento.
@drake: S-matrix es ambos, porque los estados asintóticos van al infinito en el espacio en el infinito en el tiempo, son simplemente asintóticos en ambos sentidos, y los estados asintóticos son relativistamente invariantes, y las transformaciones de relatividad en las ondas planas no tienen cualquier extraña singularización fuera del tiempo. exp(i(kx + wt)) es manifiestamente invariante de Lorentz y trata el tiempo y el espacio más o menos por igual (solo el signo métrico es diferente), con el vector x,t y el covector w,k, y estos estados asintóticos son los únicos " real" desde el punto de vista de la matriz S.
@drake: En realidad, hay una diferencia topológica, ya que hay dos límites para el tiempo, el pasado y el futuro, pero estos son dos límites para el cono de luz. No sé si esto cuenta como una "diferencia entre el espacio y el tiempo", obviamente hay una diferencia psicológica y hay una diferencia de entropía, pero creo que te refieres a otra cosa.

Para empezar, la mayor parte del progreso en física es incremental, en lo que respecta a datos y experimentos. Las teorías cambian siguiendo nuevos datos, pero en general cambian al incorporar las viejas teorías como casos límite para ciertos parámetros de las nuevas teorías, o circunvoluciones sobre las variables de las nuevas teorías.

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

El modelo estándar de física de partículas debe incorporarse en cualquier nueva teoría porque es una forma abreviada de todos los datos hasta ahora con muy pocos puntos oscuros (me viene a la mente la violación de CP). Incorporated no excluye nuevas formas de ver los datos, solo que debe haber coherencia con la anterior.

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

No mucho !
El resto de la física todavía tiene que funcionar, encontrar que la velocidad de la luz puede ser excedida en ciertas circunstancias no cambia repentinamente los resultados en otros experimentos ni permite que las máquinas de movimiento perpetuo comiencen a funcionar.

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

editar: el experimento real de Opera parece un error.
Pero imagine si se descubriera que (por ejemplo) podría enviar una señal más rápido que la luz por algún efecto QM, pero a una distancia <0.1nm y solo por debajo de una temperatura de 1mK que invalidaría la relatividad pero no afectaría el día. uso diario de la relatividad en la física o en la estructura del universo.

Exactamente de la misma manera que una diminuta diferencia en la órbita del mercurio anuló la mecánica newtoniana y condujo a GR, ¡pero no tuvo ningún efecto sobre el uso diario de la mecánica newtoniana para calcular el vuelo de las balas de cañón!

Entiendo que refutar una teoría no cambiará la forma en que son las cosas de repente; es sólo una teoría después de todo. Lo que quise decir es esto. Desde mi conocimiento limitado, citaré este ejemplo. El modelo de pudín de la estructura atómica tuvo que ser transformado en el modelo planetario después del descubrimiento de los rayos X (?). Los átomos no dejaron de existir ni de comportarse de manera diferente pero tuvimos que imaginarlos de otra manera.
Esto es absurdo: los neutrinos FTL rompen la física de manera radical e imposible.
@Ron: ¡entonces los resultados no pueden ser ciertos! El punto es que cualquier resultado 'imposible' aún debe permitir todos los resultados experimentales actuales.
@Martin: Así no es como funciona la física. No es una fenomenología experimental pura, o podrías hacer un elaborado ajuste funcional a los datos experimentales y llamarlo teoría. Puede hacerlo usando líneas de cuadrícula de marco fijo en las que todo se mueve como si estuviera obedeciendo a la relatividad, y siempre puede ajustar suficientes parámetros para que coincidan con todos los datos experimentales y obtener cualquier cosa nueva que desee. Pero la naturaleza conspirativa de tal descripción hace que sea imposible tomarla en serio. Hay un meta-criterio para la física, que es que la descripción debe ser una cosa simple y coherente.
@Ron - no, no lo hay - a la física teórica le gustaría pensar que lo hay. En realidad, hay una teoría que lo explica todo, luego un pequeño resultado experimental no encaja y se necesita una teoría completamente nueva (por ejemplo, la relatividad). Si se descubriera que, por ej. podría enviar una señal más rápido que la luz por algún efecto QM, pero a una distancia <0.1nm y solo por debajo de una temperatura de 1mK que invalidaría la relatividad pero no afectaría el uso diario de la relatividad en física. Exactamente de la misma manera que GR no tuvo efecto en el cálculo del vuelo de las balas de cañón.
@Martin Beckett: No tiene datos directos que muestren que hay protones y neutrones en Júpiter. Todo lo que ves son fotones de Júpiter. Sin embargo, infiere de la homogeneidad de las leyes de la física que allí hay protones y electrones que se comportan igual que en la Tierra. Sin un marco teórico, esto es solo especulación, hasta que vas a Júpiter y compruebas que no hay una conspiración. Los resultados anómalos del experimento son notables porque cada uno es una revolución, cada uno muestra que la descripción anterior estaba completamente equivocada , como que la violación de P mostró que P está totalmente errada.
@Ron, mi objeción fue que tenía que haber un metacriterio. Los protones y electrones en todas partes tienen la misma carga (pero opuesta). No sabemos la razón de esto, pero podemos describirlo sin saber por qué. Podría haber una circunstancia en la que los electrones/protones tuvieran cargas diferentes, pero tendrían que ser circunstancias muy extrañas ya que no hemos visto ningún efecto en ninguna otra observación.
@Martin: No estoy hablando de teorías plausibles. Estoy hablando de basura, como asumir que la Tierra está cubierta por una esfera justo después de la órbita de la luna que emite fotones para engañarnos haciéndonos creer que hay un resto del universo. Necesita suposiciones teóricas para descartar cosas como esta, aunque por lo general son de una naturaleza obvia de sentido común. Los teóricos simplemente están llevando estas reglas al extremo y deduciendo todo lo que pueden usando el meta-principio de una descripción coherente matemáticamente simple. Sin este metaprincipio, la teoría se pierde irremediablemente.
por favor, por supuesto que sabemos que los planetas están hechos de protones y electrones. Incluso sabemos que las estrellas lo están. Saltando a Júpiter, tenemos los espectros de absorción que caracterizan a los átomos después de todo. Uno puede ser demasiado teórico, en mi opinión.
@Ron. Sí. No se puede decir que más rápido que la luz es imposible porque rompe la Relatividad. Las teorías, por elegantes que sean, no pueden anular los resultados. ¡Aunque si tuviera una medida de FTL, necesitaría una buena explicación de por qué no violó muchos principios básicos que parecen funcionar!

Parte del problema de confirmar las teorías de la física con experimentos es que no lo sabemos todo. Lo más probable es que haya circunstancias imprevistas y márgenes de error en los "experimentos con neutrinos". Si se producen discrepancias en los experimentos de teorías tan probadas, quedan pruebas más rigurosas antes de que se considere el fracaso de la teoría. Sin mencionar que cualquier teoría reelaborada posteriormente tiene que satisfacer al menos también la vieja teoría.

Entonces, sí, dada la evidencia suficiente para derribar una teoría, los físicos pasarían por las cinco etapas y, finalmente, no tendrían más remedio que ceder: la ciencia se trata del mundo, no del ego.

¿Qué principios o teorías fundamentales requiere la física moderna? [cerrado]
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