La relatividad especial es una teoría física que juega un papel fundamental en la descripción de todos los fenómenos físicos, siempre que la gravitación no sea significativa. Muchos experimentos jugaron (y siguen jugando) un papel importante en su desarrollo y justificación. La fortaleza de la teoría radica en su capacidad única para predecir correctamente con alta precisión el resultado de una gama extremadamente diversa de experimentos. Todavía se están realizando repeticiones de muchos de esos experimentos con una precisión cada vez mayor, y los experimentos modernos se centran en efectos como en la escala de Planck y en el sector de neutrinos . Sus resultados son consistentes con las predicciones de la relatividad especial. Jakob Laub , [1] Zhang, [2] Mattingly, [3] Clifford Will , [4] y Roberts/Schleif proporcionaron colecciones de varias pruebas . [5]
La relatividad especial se limita al espacio-tiempo plano , es decir , a todos los fenómenos sin una influencia significativa de la gravitación . Este último pertenece al dominio de la relatividad general y deben considerarse las pruebas correspondientes de la relatividad general.
La teoría predominante de la luz en el siglo XIX fue la del éter luminífero , un medio estacionario en el que la luz se propaga de forma análoga a la forma en que el sonido se propaga a través del aire. Por analogía, se deduce que la velocidad de la luz es constante en todas las direcciones en el éter y es independiente de la velocidad de la fuente. Por lo tanto, un observador que se mueve con respecto al éter debe medir algún tipo de "viento de éter", del mismo modo que un observador que se mueve con respecto al aire mide un viento aparente .
A partir de los trabajos de François Arago (1810), se habían llevado a cabo una serie de experimentos ópticos que deberían haber dado un resultado positivo para magnitudes de primer orden en (es decir, de ) y que así deberían haber demostrado el movimiento relativo del éter. . Sin embargo, los resultados fueron negativos. Augustin Fresnel (1818) proporcionó una explicación con la introducción de una hipótesis auxiliar, el llamado "coeficiente de arrastre", es decir, que la materia arrastra al éter en pequeña medida. Este coeficiente fue demostrado directamente por el experimento de Fizeau (1851). Más tarde se demostró que todos los experimentos ópticos de primer orden debían dar un resultado negativo debido a este coeficiente. Además, se realizaron algunos experimentos electrostáticos de primer orden, que nuevamente arrojaron resultados negativos. En general, Hendrik Lorentz (1892, 1895) introdujo varias variables auxiliares nuevas para observadores en movimiento, demostrando por qué todos los experimentos ópticos y electrostáticos de primer orden han producido resultados nulos. Por ejemplo, Lorentz propuso una variable de ubicación mediante la cual los campos electrostáticos se contraen en la línea de movimiento y otra variable ("hora local") mediante la cual las coordenadas temporales de los observadores en movimiento dependen de su ubicación actual. [1]
La teoría del éter estacionario, sin embargo, daría resultados positivos cuando los experimentos sean lo suficientemente precisos como para medir magnitudes de segundo orden en (es decir, de ). Albert A. Michelson llevó a cabo el primer experimento de este tipo en 1881, seguido por el experimento más sofisticado de Michelson-Morley en 1887. Dos rayos de luz, que viajaban durante algún tiempo en diferentes direcciones, interfirieron, de modo que diferentes orientaciones relativas a la El viento de éter debería provocar un desplazamiento de las franjas de interferencia . Pero el resultado volvió a ser negativo. La salida a este dilema fue la propuesta de George Francis FitzGerald (1889) y Lorentz (1892) de que la materia se contrae en la línea de movimiento con respecto al éter ( contracción de longitud ). Es decir, la antigua hipótesis de una contracción de los campos electrostáticos se extendió a las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, como no había ninguna razón teórica para ello, la hipótesis de la contracción se consideró ad hoc .
Además del experimento óptico de Michelson-Morley, también se llevó a cabo su equivalente electrodinámico, el experimento de Trouton-Noble . Con esto se debería demostrar que un condensador en movimiento debe estar sometido a un par . Además, los experimentos de Rayleigh y Brace pretendían medir algunas consecuencias de la contracción de la longitud en el marco del laboratorio, por ejemplo la suposición de que conduciría a la birrefringencia . Aunque todos esos experimentos condujeron a resultados negativos. (El experimento de Trouton-Rankine realizado en 1908 también dio un resultado negativo al medir la influencia de la contracción de longitud en una bobina electromagnética .) [1]
Para explicar todos los experimentos realizados antes de 1904, Lorentz se vio obligado a ampliar nuevamente su teoría introduciendo la transformación completa de Lorentz . Henri Poincaré declaró en 1905 que la imposibilidad de demostrar el movimiento absoluto ( principio de relatividad ) es aparentemente una ley de la naturaleza.
La idea de que el éter podría ser completamente arrastrado dentro o en las proximidades de la Tierra, lo que podría explicar los experimentos negativos de deriva del éter, fue refutada por diversos experimentos.
Lodge expresó la situación paradójica en la que se encontraban los físicos de la siguiente manera: "...a ninguna velocidad practicable... la materia [tiene] algún agarre viscoso apreciable sobre el éter. Los átomos deben ser capaces de hacerlo vibrar, si son oscilando o girando a suficiente velocidad; de lo contrario no emitirían luz ni ninguna clase de radiación pero en ningún caso parecen arrastrarla, ni encontrar resistencia en ningún movimiento uniforme a través de ella." [6]
Finalmente, Albert Einstein (1905) llegó a la conclusión de que las teorías establecidas y los hechos conocidos en ese momento sólo forman un sistema lógico coherente cuando los conceptos de espacio y tiempo se someten a una revisión fundamental. Por ejemplo:
El resultado es la teoría de la relatividad especial , que se basa en la constancia de la velocidad de la luz en todos los sistemas de referencia inerciales y el principio de la relatividad . En este caso, la transformación de Lorentz ya no es una mera colección de hipótesis auxiliares, sino que refleja una simetría de Lorentz fundamental y forma la base de teorías exitosas como la electrodinámica cuántica . Existe una gran cantidad de pruebas posibles de las predicciones y del segundo postulado: [7]
Los efectos de la relatividad especial pueden derivarse fenomenológicamente de los siguientes tres experimentos fundamentales: [8]
De estos tres experimentos y utilizando la sincronización de Poincaré-Einstein , se obtiene la transformación de Lorentz completa, siendo el factor de Lorentz : [8]
Además de derivar la transformación de Lorentz, la combinación de estos experimentos también es importante porque pueden interpretarse de diferentes maneras cuando se ven individualmente. Por ejemplo, los experimentos de isotropía como el de Michelson-Morley pueden verse como una simple consecuencia del principio de relatividad, según el cual cualquier observador que se mueve inercialmente puede considerarse en reposo. Por lo tanto, por sí solo, el experimento MM es compatible con las teorías invariantes galileanas como la teoría de la emisión o la hipótesis del arrastre total del éter , que también contienen algún tipo de principio de relatividad. Sin embargo, cuando se consideran otros experimentos que excluyen las teorías invariantes de Galileo ( es decir, el experimento de Ives-Stilwell, varias refutaciones de las teorías de emisión y refutaciones del arrastre completo del éter ), las teorías invariantes de Lorentz y, por tanto, la relatividad especial son las únicas teorías que siguen siendo viables. .
Se han realizado variantes modernas de los experimentos de Michelson-Morley y Kennedy-Thorndike para probar la isotropía de la velocidad de la luz. A diferencia de Michelson-Morley, los experimentos de Kennedy-Thorndike emplean brazos de diferentes longitudes y las evaluaciones duran varios meses. De esta forma se puede observar la influencia de las diferentes velocidades durante la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Se utilizan resonadores láser , máser y ópticos , lo que reduce la posibilidad de cualquier anisotropía de la velocidad de la luz al nivel 10 −17 . Además de las pruebas terrestres, también se han llevado a cabo experimentos de alcance con láser lunar como una variación del experimento Kennedy-Thorndike. [4]
Otro tipo de experimentos de isotropía son los experimentos con rotores de Mössbauer en la década de 1960, mediante los cuales se puede observar la anisotropía del efecto Doppler en un disco giratorio utilizando el efecto Mössbauer (esos experimentos también se pueden utilizar para medir la dilatación del tiempo, ver más abajo).
Las teorías de emisión , según las cuales la velocidad de la luz depende de la velocidad de la fuente, pueden explicar posiblemente el resultado negativo de los experimentos de deriva del éter. No fue hasta mediados de la década de 1960 que la constancia de la velocidad de la luz se demostró definitivamente mediante experimentos, ya que en 1965, JG Fox demostró que los efectos del teorema de la extinción hacían que los resultados de todos los experimentos anteriores a ese momento no fueran concluyentes y, por lo tanto, compatible tanto con la relatividad especial como con la teoría de las emisiones. [9] [10] Experimentos más recientes han descartado definitivamente el modelo de emisión: los primeros fueron los de Filippas y Fox (1964), [11] que utilizaron fuentes móviles de rayos gamma, y Alväger et al. (1964), [12] que demostró que los fotones no adquirieron la velocidad de los mesones en descomposición de alta velocidad que eran su fuente. Además, Brecher (1977) repitió el experimento de la estrella doble de De Sitter (1913) teniendo en cuenta el teorema de la extinción, descartando también una dependencia de la fuente. [13]
Las observaciones de estallidos de rayos gamma también demostraron que la velocidad de la luz es independiente de la frecuencia y la energía de los rayos luminosos. [14]
Se llevaron a cabo una serie de mediciones unidireccionales y todas ellas confirmaron la isotropía de la velocidad de la luz. [5] Sin embargo, sólo la velocidad bidireccional de la luz (de A a B y de regreso a A) puede medirse sin ambigüedades, ya que la velocidad unidireccional depende de la definición de simultaneidad y, por tanto, del método de sincronización. La convención de sincronización de Einstein hace que la velocidad en un sentido sea igual a la velocidad en ambos sentidos. Sin embargo, existen muchos modelos que tienen una velocidad de la luz bidireccional isotrópica, en los que la velocidad unidireccional es anisotrópica eligiendo diferentes esquemas de sincronización. Son experimentalmente equivalentes a la relatividad especial porque todos estos modelos incluyen efectos como la dilatación del tiempo de los relojes en movimiento, que compensan cualquier anisotropía mensurable. Sin embargo, de todos los modelos que tienen velocidad bidireccional isotrópica, sólo la relatividad especial es aceptable para la inmensa mayoría de los físicos, ya que todas las demás sincronizaciones son mucho más complicadas y esos otros modelos (como la teoría del éter de Lorentz ) se basan en suposiciones extremas e inverosímiles. sobre algunos efectos dinámicos, cuyo objetivo es ocultar el "marco preferido" de la observación.
_in_D2O.gif/1280px-Lithium-7-NMR_spectrum_of_LiCl_(1M)_in_D2O.gif)
Los experimentos de comparación de relojes (los procesos periódicos y las frecuencias pueden considerarse relojes), como los experimentos de Hughes-Drever, proporcionan pruebas estrictas de la invariancia de Lorentz . No se limitan al sector de los fotones como Michelson-Morley, sino que determinan directamente cualquier anisotropía de masa, energía o espacio midiendo el estado fundamental de los núcleos . Se ha proporcionado el límite superior de dichas anisotropías de 10 −33 GeV . Por tanto, estos experimentos se encuentran entre las verificaciones más precisas de la invariancia de Lorentz jamás realizadas. [3] [4]
El efecto Doppler transversal y, en consecuencia, la dilatación del tiempo, se observaron directamente por primera vez en el experimento de Ives-Stilwell (1938). En los experimentos modernos de Ives-Stilwell en anillos de almacenamiento de iones pesados utilizando espectroscopia saturada , la desviación máxima medida de la dilatación del tiempo con respecto a la predicción relativista se ha limitado a ≤ 10 −8 . Otras confirmaciones de la dilatación del tiempo son los experimentos con rotores de Mössbauer, en los que se enviaron rayos gamma desde el centro de un disco en rotación a un receptor situado en el borde del disco, de modo que el efecto Doppler transversal se puede evaluar mediante el efecto Mössbauer . Al medir la vida útil de los muones en la atmósfera y en los aceleradores de partículas, también se verificó la dilatación temporal de las partículas en movimiento. Por otro lado, el experimento de Hafele-Keating confirmó la resolución de la paradoja de los gemelos , es decir , que un reloj que se mueve de A a B y de regreso a A se retrasa con respecto al reloj inicial. Sin embargo, en este experimento los efectos de la relatividad general también juegan un papel esencial.
La confirmación directa de la contracción de la longitud es difícil de lograr en la práctica, ya que las dimensiones de las partículas observadas son extremadamente pequeñas. Sin embargo, hay confirmaciones indirectas; por ejemplo, el comportamiento de los iones pesados en colisión sólo puede explicarse si se considera su mayor densidad debido a la contracción de Lorentz. La contracción también conduce a un aumento de la intensidad del campo de Coulomb perpendicular a la dirección del movimiento, cuyos efectos ya se han observado. En consecuencia, se deben considerar tanto la dilatación del tiempo como la contracción de la longitud al realizar experimentos en aceleradores de partículas.
A partir de 1901, se realizaron una serie de mediciones destinadas a demostrar la dependencia de la velocidad de la masa de los electrones . Los resultados en realidad mostraron tal dependencia, pero durante mucho tiempo se discutió la precisión necesaria para distinguir entre teorías en competencia. Al final, fue posible descartar definitivamente todos los modelos competidores excepto la relatividad especial.
Hoy en día, las predicciones de la relatividad especial se confirman habitualmente en aceleradores de partículas como el Colisionador Relativista de Iones Pesados . Por ejemplo, el aumento del impulso y la energía relativistas no sólo se mide con precisión sino que también es necesario para comprender el comportamiento de los ciclotrones y sincrotrones , etc., mediante los cuales las partículas se aceleran cerca de la velocidad de la luz.
La relatividad especial también predice que dos rayos de luz que viajan en direcciones opuestas alrededor de una trayectoria cerrada giratoria (por ejemplo, un bucle) requieren tiempos de vuelo diferentes para regresar al emisor/receptor en movimiento (esto es una consecuencia de la independencia de la velocidad de la luz respecto de la velocidad de la luz). velocidad de la fuente, ver arriba). Este efecto realmente se observó y se llama efecto Sagnac . Actualmente, la consideración de este efecto es necesaria para muchas configuraciones experimentales y para el correcto funcionamiento del GPS .
Si tales experimentos se llevan a cabo en medios móviles (por ejemplo, agua o fibra óptica de vidrio ), también es necesario considerar el coeficiente de arrastre de Fresnel como lo demuestra el experimento de Fizeau . Aunque inicialmente se entendió que este efecto evidenciaba un éter casi estacionario o una resistencia parcial del éter, puede explicarse fácilmente con la relatividad especial utilizando la ley de composición de velocidades .
Se han desarrollado varias teorías de prueba para evaluar un posible resultado positivo en los experimentos de violación de Lorentz agregando ciertos parámetros a las ecuaciones estándar. Estos incluyen el marco Robertson-Mansouri-Sexl (RMS) y la Extensión del modelo estándar (SME). RMS tiene tres parámetros comprobables con respecto a la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo. A partir de ahí se puede evaluar cualquier anisotropía de la velocidad de la luz. Por otro lado, SME incluye muchos parámetros de violación de Lorentz, no sólo para la relatividad especial, sino también para el modelo Estándar y la Relatividad General ; por lo tanto, tiene una cantidad mucho mayor de parámetros comprobables.
Debido a los avances en los últimos años en relación con varios modelos de gravedad cuántica , las desviaciones de la invariancia de Lorentz (posiblemente derivadas de esos modelos) vuelven a ser el objetivo de los experimentadores. Dado que la "invariancia local de Lorentz" (LLI) también se cumple en marcos en caída libre, los experimentos relacionados con el principio de equivalencia débil también pertenecen a esta clase de pruebas. Los resultados se analizan mediante teorías de prueba (como se mencionó anteriormente) como RMS o, más importante, SME. [3]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)