¿Todas las partículas sin masa (por ejemplo, fotones, gravitones, gluones) tienen necesariamente la misma velocidad ccc?

Si se cumplen los supuestos básicos de simetría y homogeneidad sobre el Universo, entonces sí, todas las partículas reales sin masa (consulte la respuesta de Anna V para partículas virtuales deben viajar a una constante universal$c$, la velocidad de una partícula sin masa, en todos los marcos de referencia.

Dadas estas suposiciones básicas de simetría y homogeneidad, se pueden derivar las posibles transformaciones de coordenadas para la relatividad de los marcos inerciales: consulte la sección "De los postulados de grupo" en la página de Wikipedia "Transformación de Lorentz" . (Ver también mi resumen aquí ). La relatividad galileana es consistente con estas suposiciones, pero no de manera única: la otra posibilidad es que haya cierta velocidad$c$caracterizando la relatividad tal que$c$es el mismo cuando se mide desde todos los marcos de referencia. La dilatación del tiempo, la contracción de Lorentz-Fitzgerald y la imposibilidad de acelerar una partícula masiva para$c$son todas simples consecuencias de estas otras posibles relatividades.

Entonces, ahora se convierte en una pregunta experimental sobre qué relatividad se cumple: ¿transformación de Galileo o de Lorentz? Y el experimento se responde probando cómo se transforman las velocidades entre marcos inerciales . Dicho de otro modo, la pregunta experimental es ¿hay velocidades que sean iguales para todos los observadores inerciales? . La pregunta no es medir los valores de cualquier velocidad, sino cómo se transforman. Ahora, por supuesto, sabemos la respuesta: el experimento de Michelson Morley encontró tal velocidad, la velocidad de la luz. Así que aquí hay dos conclusiones: (1) La relatividad de los marcos inerciales es lorentziana, no galileana (lo que se puede considerar como una transformación de Lorentz con infinito).$c$) y (2) la luz es una partícula sin masa, porque se observa que la luz va a esta velocidad que se transforma de esta manera especial.

Nótese que al principio de este argumento no mencionamos nada sobre partículas o cualquier fenómeno físico en particular (a pesar de que las raíces históricas de la relatividad especial estaban a la luz). Se sigue que, si$c$se observa experimentalmente que es finita (es decir, la relatividad galileana no se cumple), entonces la velocidad especialmente invariante es única: solo puede ser alcanzada por partículas sin masa y no puede haber más de una de ellas.$c$- las leyes de Lorentz son lo que son y son las únicas consistentes con nuestros supuestos iniciales de simetría y homogeneidad. Entonces, si observamos dos velocidades diferentes transformándose como$c$, esto falsificaría nuestras suposiciones básicas de simetría y homogeneidad sobre el mundo. Ningún experimento nos da motivos para hacer eso.

Esta es la razón por la cual todas las partículas sin masa tienen la misma velocidad.$c$.

Actualización: resultados experimentales

Como ahora es de conocimiento común, el evento de onda gravitacional GW170817 y el estallido de rayos gamma GRB170817A brindan una fuerte evidencia experimental de la igualdad de las velocidades de la luz y la gravitación. Como se discutió en:

Ondas gravitacionales y rayos gamma de una fusión de estrellas binarias de neutrones: GW170817 y GRB 170817A

el retraso de 1,7 segundos entre la llegada de la onda gravitacional y el estallido de rayos gamma, junto con suposiciones conservadoras sobre otras fuentes de retraso, produce un límite experimental en la diferencia fraccionaria entre la velocidad de la luz y la de la gravitación:

un límite experimental impresionante de hecho. Dentro de los próximos 10 años, probablemente veremos varios eventos de este tipo y, por lo tanto, este límite experimental se estrechará aún más (¡a menos que suceda algo realmente imprevisto teóricamente!).

Masa de partículas sin masa confinada

Por cierto, si confinamos partículas sin masa, por ejemplo , colocamos la luz en una caja que refleja perfectamente, la inercia de la caja aumenta en$E/c^2$, dónde$E$es el contenido de energía. Este es el mecanismo para la mayor parte de la masa de su cuerpo: los gluones sin masa están confinados y aceleran hacia adelante y hacia atrás todo el tiempo, por lo que tienen inercia tal como la tuvo la luz confinada en una caja. Del mismo modo, se puede pensar que un electrón comprende dos partículas sin masa, unidas por un término de acoplamiento que es la masa del electrón. Las ecuaciones de Dirac y Maxwell se pueden escribir de la misma forma: los componentes de luz polarizados circularmente de la izquierda y la derecha están desacoplados y, por lo tanto, viajan a$c$, pero los componentes circulares izquierdo y derecho sin masa del electrón están unidos entre sí. Esto engendra el fenómeno de Zitterbewegung , por el cual un electrón puede interpretarse como observable en cualquier instante en el tiempo mientras viaja a$c$, pero oscila rápidamente de un lado a otro entre los estados de mano izquierda y derecha y, por lo tanto, está confinado en un solo lugar. Por lo tanto, adquiere masa, tal como lo hace la luz "atada" en la caja.

Otra forma de decir esto: ¿Velocidad del fotón, gravitón, gluón, todos iguales a c? o si todas las partículas sin masa tienen necesariamente la misma velocidad?

No debe haber sido introducido al concepto de una partícula virtual :

En física, una partícula virtual es una fluctuación transitoria que exhibe muchas de las características de una partícula ordinaria, pero que existe por un tiempo limitado. El concepto de partículas virtuales surge en la teoría de perturbaciones de la teoría cuántica de campos donde las interacciones entre partículas ordinarias se describen en términos de intercambios de partículas virtuales. Cualquier proceso que involucre partículas virtuales admite una representación esquemática conocida como diagrama de Feynman, en el que las partículas virtuales están representadas por líneas internas.

Una partícula virtual es una línea interna en un diagrama de Feynman que representa el propagador matemático que debe sustituirse para obtener la integral necesaria para calcular cantidades medibles. Las partículas virtuales tienen los números cuánticos de sus partículas homónimas (que tienen el mismo nombre), excepto que no tienen la masa. La masa está fuera de la cáscara.

Entonces, es una regla general que las partículas sin masa viajen a la velocidad de la luz, pero solo cuando están en líneas externas en los diagramas de Feynman. Esto es cierto para los fotones, y pensamos que era cierto para los neutrinos, pero se demostró que estaba equivocado con las oscilaciones de neutrinos .

Los gluones, por otro lado, solo los encontramos dentro de un núcleo y estos son, por definición, líneas internas en los diagramas de Feynman y, por lo tanto, no están obligados a tener una masa de 0, aunque en la teoría se supone que lo tienen. En el caso asintóticamente libre, a energías muy altas deberían mostrar una masa de cero.

No es difícil imaginar un universo de juguete en el que diferentes fuerzas fundamentales se propaguen a diferentes velocidades. Sin embargo, una consecuencia necesaria de eso serían las violaciones de la simetría lorentziana y la capacidad de triangular un marco de descanso preferido.

Aunque no veo una razón teórica por la que estas velocidades deban ser las mismas (aunque podría estar perdiéndome algo, tal vez algunos argumentos de estabilidad lo requieran), empíricamente no hay mucho espacio para diferentes velocidades.

Pensé lo mismo durante mucho tiempo. Me preguntaba por qué los gluones no salen volando del núcleo a la velocidad de$c$. La diferencia es que los fotones no interactúan con otros fotones y los gravitones no interactúan con otros gravitones. Pueden moverse y atravesarse unos a otros. Por otro lado, los gluones interactúan entre sí.

De hecho, los gluones forman cadenas/tubos de flujo, lo que explica en parte por qué los quarks están confinados . Los gluones viajan a$c$pero no mucho antes de que interactúen con otros quarks o gluones, lo que les impide moverse una distancia apreciable.