Entonces, obviamente no existe un marco de referencia universal para la velocidad. Según la teoría de la relatividad, no hay diferencia entre dos observadores que se mueven uno respecto del otro, ambos experimentan leyes físicas idénticas. Sin embargo, ¿ocurre lo mismo con la rotación?
Un objeto gana energía de rotación cuando se le aplica un par, y también ejerce fuerzas sobre otros objetos dependiendo de su velocidad de rotación. Esto se ha utilizado en muchas películas de ciencia ficción, donde la nave espacial tiene una parte giratoria (como en el marciano, por ejemplo), y los astronautas pueden pararse casualmente allí, debido a la fuerza que ejerce la parte giratoria sobre a ellos. Obviamente, eso no funcionaría si esa parte de la nave no estuviera girando. Sin embargo, ¿cómo sabemos si de hecho está girando o no? Si somos capaces de decir si lo es, ¿no existe un marco de referencia estacionario rotacional universal, con el que tenemos que comparar todo lo que gira?
Un marco de referencia giratorio no es un marco de referencia inercial: en el marco giratorio, los objetos se aceleran aunque no actúen fuerzas sobre ellos.
En su ejemplo, de hecho puede determinar fácilmente si está girando o si el universo gira a su alrededor. En el primer caso hay gravedad artificial en el barco, y en el segundo caso no la hay.
Entonces sí, la rotación funciona de manera diferente a la velocidad. Sin embargo, no hay un "marco de referencia estacionario universal", hay muchos: la clase de marcos de referencia que no giran ni se aceleran de ninguna otra manera son los marcos de inercia.
Las otras respuestas a esta pregunta siguen todas la línea de pensamiento clásica: podemos diferenciar las dos situaciones siguientes:
La idea es que en el caso (i) observaríamos Coriolis y la fuerza centrífuga (esta última es sobre la que escribió el OP cuando menciona artilugios de ciencia ficción) pero no en el caso (ii).
Ese debate se remonta al menos a Newton, y fue clave en el pensamiento de Mach que la inercia debería ser completamente explicable por la gravedad. Se puede encontrar un relato histórico muy bueno en [Pfi07], que es muy legible para los no expertos (¡entre los cuales me coloco!). Este artículo muestra cómo los físicos se han dado cuenta lentamente a lo largo del siglo XX de que una capa de materia casi esférica en rotación induce el efecto de Coriolis y la fuerza centrífuga en su interior, y exactamente así (la demostración matemática del resultado se puede encontrar en un artículo clásico del mismo autor y un colaborador [PB85]). Por inducir, me refiero al efecto gravitacional del caparazón giratorio: no estoy suponiendo que todo lo que está dentro del caparazón gire junto con él (¡eso sería un razonamiento circular!).
Aunque esto no es realista en absoluto, debería darnos una pausa, ya que contradice completamente la línea de pensamiento clásica que recordé anteriormente: ¡el caso (ii) reproduce exactamente el caso (i)! Ahora, uno puede preguntarse con respecto a qué gira este caparazón de materia. La respuesta es que uno postula un espacio-tiempo asintóticamente plano: en palabras simples, infinitamente lejos, el primer principio de Newton es válido, es decir, una masa de prueba no está sujeta a ninguna fuerza gravitacional o de inercia. Sin embargo, dentro del caparazón, un observador que observe las trayectorias de los cuerpos en movimiento llegaría a la conclusión de que está atado a un marco giratorio aunque no lo esté.
No afirmo que esta sea de ninguna manera la respuesta "definitiva", pero es un tema de reflexión muy interesante...
[Pfi07] Herbert Pfister. Sobre la historia del llamado efecto lense-thirring. General Relativity and Gravitation, 39(11):1735–1748, noviembre de 2007. Acceso gratuito en citeseerx
[PB85] H Pfister y KH Braun. Inducción de la fuerza centrífuga correcta en una carcasa de masa giratoria. Gravedad clásica y cuántica, 2(6):909, 1985.
Voy a decir que no, no hay un marco universal "en reposo" para la rotación. Ciertamente, aquí en la Tierra podemos medir nuestra rotación y encontrar un marco fijo en relación con el universo. Además, otras personas en todo el Sistema Solar podrían estar de acuerdo, a menos que noten el minuto de arrastre de fotogramas (también conocido como efecto Lens-Thirring).
Cerca de un agujero negro giratorio, el efecto puede ser grande, y si estás en tu nave espacial sin sentir fuerza centrípeta [es decir, oficialmente no estás girando], los observadores en la Tierra te verían girando, y viceversa.
Además: el arrastre del marco puede ser diferencial, por lo que 2 puntos cercanos definen "no rotar" de manera diferente. Esto da lugar a las llamadas líneas de vórtice para visualizar el espacio-tiempo cerca de los agujeros negros:
http://www.caltech.edu/news/physicists-discover-new-way-visualize-warped-space-and-time-1680
Sí, existe un marco de referencia universal para la rotación. También se podría hacer el argumento trivial de que hay infinitos marcos de referencia de este tipo, todos los cuales tendrían una velocidad angular cero entre sí y la estructura general de largo alcance del universo.
Un objeto giratorio (o un conjunto de objetos giratorios) que de alguna manera se mantiene en rotación alrededor de un punto por una fuerza distinta de la atracción gravitacional mutua no se mueve libremente a lo largo de una geodésica [ https://en .wikipedia.org/wiki/Geodesics_in_general_relativity] - hay una aceleración constante que resulta de una fuerza que mantiene el (los) objeto (s) a lo largo de las trayectorias de rotación, comúnmente conocida como fuerza centrípeta. Esto podría ser en forma de tensión en una cuerda u otro enlace mecánico que mantiene juntos varios objetos mientras giran uno alrededor del otro, o en el caso de un solo objeto que se deforma (abulta), por ejemplo, una esfera que se abomba en el ecuador. - es la cohesión de su material la que proporciona la fuerza estabilizadora necesaria para que no se deshaga.
Dentro del marco de referencia de los objetos que giran entre sí (o partes del objeto que giran alrededor de su eje de rotación), se siente una fuerza centrífuga correspondiente, que de otro modo no se habría sentido si no hubiera tal rotación. .
La presencia de esta fuerza centrífuga indica que el(los) objeto(s) está(n) girando. Se puede considerar que la rotación es con respecto a la estructura general de largo alcance del universo. Existe cierto debate sobre cómo definir eso exactamente [ https://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_rotation ], pero en general, se considera que la presencia de una fuerza centrífuga que parece separar los objetos giratorios es una señal de que los objetos en cuestión están girando con respecto a un marco de referencia absoluto.
En el caso especial de dos o más objetos ligados gravitacionalmente que giran alrededor de su centro de masa común, estos objetos (cualquier observador sobre ellos) en realidad se mueven libremente a lo largo de una geodésica y la fuerza gravitacional actúa sobre un observador ubicado en uno de estos objetos ( por ejemplo, un astronauta en la ISS orbitando la tierra) equilibraría exactamente cualquier fuerza centrífuga que se esperaría que surja dentro del marco de referencia de dicho observador.
La explicación proporcionada en arXiv:physics/0409010 es bastante accesible para el público en general.
Bajo GR, la relatividad gravitacional y acelerada, el movimiento de rotación no es un marco de referencia inercial. Un marco de referencia inercial en GR debe tener una velocidad constante tanto en la velocidad como en la dirección del movimiento. Para GR aceleración significa que se está moviendo a una velocidad acelerada en línea recta, oa una velocidad fija con dirección variable o ambas.
Sin embargo, en lo que respecta a SR, el movimiento de rotación a velocidad constante es un marco de referencia inercial. El cambio constante de dirección no tiene efecto sobre la dilatación del tiempo SR y solo el valor de velocidad constante cuenta para el fenómeno. Además, una rotación circular de velocidad fija no genera ninguna dilatación del tiempo de aceleración GR como se demostró en el reciente experimento de muones g-2 Fermilab y solo se midió la dilatación del tiempo de velocidad circular constante SR. Lo que prueba mi punto.
Atraer TRB
Las trayectorias de luz describen las geodésicas del espacio según la ecuación de campo. Asumiendo la independencia de los marcos de rotación y la rotación del universo en relación con las geodésicas del espacio y una fuente de luz fija que envía haces, el universo observaría las trayectorias como espirales. ¡No observamos esto!
Experimento mental dentro de SRT:
Considere un sistema óptico que permite que un haz gire alrededor de un objeto en un círculo (o un polígono regular con suficientes patas) con un radio fijo r . Ahora, esperamos que todos los supuestos se cumplan en ambos sistemas, independientemente de la rotación.
Deje que el universo, incluido el sistema óptico, gire alrededor del objeto fijo con velocidad angular . Como el sistema óptico no se mueve en la dirección del radio, no se aplica ninguna contracción de longitud al radio. Debido a la base de tiempo invariable [3], el período T del haz permanece igual.
En el caso de que el universo y el haz giren en la misma dirección, la longitud de la trayectoria del haz después del período T es [1]
Como son invariantes, cualquier conduce a una contradicción.
Conclusión: SRT no admite la igualdad de los sistemas rotacionales.
AccidentalFourierTransformar