Proves de la relativitat especial
Categoría:Wikipedia:Traducciones para mejorar La Relativitat especial és un teoria física que eixercita un paper fonamental en la descripció de tots els fenomens físics, sempre i quan la gravetat no siga significativa. Molts experiments han jugat (i seguixen jugant) un paper important en el seu desenroll i justificació. La força de la teoria residix en la seua capacitat única per a predir correctament, i en gran precisió, els resultats d'una gama molt diversa d'experiments. Repeticions de molts d'eixos experiments encara es porten a terme en una major precisió de manera constant, i les úniques àrees a on les desviacions en les prediccions de la relativitat especial no es descarten per complet, ya que els experiments es troben en l'escala de Planck i en el sector del neutrino. Distintes recopilacions de proves sobre la relativitat especial han segut preses per Jakob Laub,[1] Zhang,[2] Mattingly,[3] Clifford Will[4] i Roberts/Schleif.[5]
La relativitat especial està restringida al espai-temps pla, és dir, a tots els fenomens sense influència significativa de la gravetat. Esta última es troba en el domini de la relativitat general. (Vore: proves de la relativitat general)
Els experiments que òbrin el camí a la relativitat
[editar | editar còdic]La teoria predominant de la llum en el XIX va ser el de l'éter luminífero, un mig estacionario en el que la llum es propaga de forma anàloga a cóm el sò es propaga a través de l'aire. Per analogia, es deduïx que el velocitat de la llum és constant en totes les direccions en l'éter i és independent de la velocitat de la font. Per lo tant un observador en moviment sobre l'éter deu medir algun tipo de "vent d'éter", inclús en calitat d'observador en moviment respecte a l'aire medix un vent aparent.
Experiments de primer orde
[editar | editar còdic]
A partir del treball de François Arago (1810 ), s'havien portat a terme una série d'experiments òptics que deurien haver donat un resultat positiu per a magnituts a primer orde en v/c i que per lo tant deuria haver demostrat el moviment relatiu de l'éter. No obstant, els resultats varen ser negatius. Una explicació va ser proporcionada per Augustin Fresnel ( 1818 ) en l'introducció d'una hipòtesis auxiliar, el cridat "coeficient d'arrastre", és dir, la matèria arrastra l'éter en una menuda part. Este coeficient va ser demostrada directament pel experiment de Fizeau i Foucault (1851). Més vesprada es va demostrar que tots els experiments òptics de primer orde deuen donar un resultat negatiu per este coeficient. Ademés, també es varen portar a terme alguns experiments electrostàtics de primer orde, oferint, de nou, un resultat negatiu. En general , Hendrik Lorentz (1892, 1895) va introduir noves variables auxiliars per a observadors en moviment, lo que demostrava per qué els experiments de primer orde òptics i electrostàtiques havien donat resultats nuls. Per eixemple, Lorentz va propondre una variable local per la qual els camps electrostàtics en la llínea de moviment es contreen i l'atra variable ("temps local") per la qual les coordenades del temps per als observadors en moviment depenien de la seua ubicació actual.[1]
Experiments de segon orde
[editar | editar còdic]
A - Font de llum monocromàtica
B - Espill semirreflectante
C - Espills
D - Diferència de camí.
La teoria de l'éter estacionario, no obstant, donaria resultats positius quan els experiments són lo suficientment precisos per a medir magnituts de segon orde en v/c. El primer experiment d'este tipo va ser l'experiment de Michelson i Morley (1881, 1887), a on dos rajos de llum, viajant per algun temps en diferents direccions produirien una interferència, de manera que les diferents orientacions en relació en el vent d'éter deuen conduir a un desplaçament dels màrgens d'interferència. Pero el resultat va ser negatiu una atra volta. L'única manera d'eixir d'este dilema va ser la proposta per George Francis FitzGerald (1889) i Lorentz (1892) que la matèria es contrau en la llínea de moviment sobre l'éter (contracció de la llongitut). Això és, l'hipòtesis anterior d'una contracció dels camps electrostàtics es va estendre a les forces intermoleculars. No obstant, ya que no hi havia cap raó teòrica para açò, en l'hipòtesis de la contracció es va considerar ad hoc.
Ademés de l'experiment òptic de Michelson-Morley, també es va portar a terme l'experiment en electrodinàmica equivalent, l'experiment Trouton-Noble. Per això calia demostrar que un condensador en moviment devia ser somés a un parell motor. Ademés, els experiments de Rayleigh i Brace destinat a medir algunes conseqüències de la contracció de la llongitut en el marc del laboratori, per eixemple, el supòsit de que es duria a birrefringencia. A pesar de tot, estos experiments varen conduir a resultats negatius. (l'experiment Trouton-Rankine realisat en 1908 també va donar un resultat negatiu en la medició de l'influència de la contracció de la llongitut en una bobina).[1]
Per a explicar tots els experiments portats a terme abans de 1904, Lorentz es va vore obligat a expandir de nou la seua teoria per mig de l'introducció de la completa transformació de Lorentz. Henri Poincaré va declarar en 1905 que l'impossibilitat de demostrar el moviment absolut (principi de relativitat) és aparentment una llei de la naturalea.
Refutació de l'arrastre de l'éter
[editar | editar còdic]
L'idea de que l'éter podia ser arrastrat completament dins o en la proximitat de la terra, lo que podria haver explicat el resultat negatiu dels experiments sobre l'éter, va ser refutada per varis experiments.
- Oliver Lodge (1893) va trobar que girant ràpidament discs d'acer per damunt i per baix d'un interferómetro de camí comú sensible, va fallar en produir un canvi mesurable en el marge d'interferència.
- Gustaf Hammar (1935) no va conseguir trobar cap prova de l'arrastre de l'éter usant un interferómetro de camí comú, un braç del com va ser tancat per una canonada de paret grossa canonada taponada en plom, mentres que l'atre braç estava lliure.
- l'efecte Sagnac va mostrar que la velocitat de dos rajos de llum no es veu afectada per la rotació de la plataforma.
- L'existència de l'aberració de la llum era incompatible en l'hipòtesis d'arrastre de l'éter.
- La suposició de que arrastre de l'éter és proporcional a la massa i per lo tant només es produïx sobre la Terra en el seu conjunt va ser refutada pel experiment Michelson-Gale-Pearson, lo que va demostrar l'efecte Sagnac a través del moviment de la Terra.
Lodge va expressar la situació paradòxica en la que els físics es trobaven de la següent forma: "...a velocitats no practicables... la matèria [té] algun viscós agarre apreciable sobre l'éter. Els àtoms deuen ser capaços de transformar-ho en vibració, si estan oscilant o girant a la velocitat suficient; de lo contrari no emetrien llum o qualsevol tipo de radiació; pero en cap cas sembla que ho arrastre, o per a complir en la resistència de qualsevol moviment uniforme a través d'ell."[6]
Relativitat especial
[editar | editar còdic]Visió de conjunt
[editar | editar còdic]En el temps, Albert Einstein (1905) va aplegar a la conclusió de que les teories establides i els fets coneguts en eixe moment només formen un sistema coherent de llògica quan els conceptes d'espai i temps són somesos a una revisió fonamental. Per eixemple:
L'electrodinàmica de Maxwell-Lorentz (independència de la velocitat de la llum a partir de la velocitat de la font), els experiments de deriva de l'éter negatius (sense marc de referència preferida),
- Iman mòvil i el problema conductor (només moviment relatiu és rellevant),
l'experiment de Fizeau i Foucault i l'aberració de la llum (abdós impliquen tant la suma modificada de velocitats i l'incomplet arrastre d'éter).
El resultat és la teoria de la Relativitat especial, que es basa en la constància de la velocitat de la llum en tot els marcs de referència inerciales i el principi de relativitat. En este cas, la transformació de Lorentz ya no és una mera colecció d'hipòtesis auxiliars, sino que reflectix una fonamental simetria de Lorentz i constituïx la base de teories d'èxit com l'electrodinàmica quàntica. La relativitat especial oferix un gran número de prediccions comprobables, tals com:[7]
| Principi de relativitat | Constància de la velocitat de la llum | Dilatació del temps |
|---|---|---|
| Qualsevol observador en moviment uniforme en un sistema inercial no pot determinar el seu estat "absolut" de moviment per mig de cap experiment realisat que compartixca el mateix moviment. | En tots els sistemes inerciales la mida de la velocitat de la llum és igual en totes les direccions (isotropía), independent de la velocitat de la font, i no pot ser alcançat per cossos massius. | La taxa d'un rellonge C (= qualsevol procés periòdic) que es desplaça entre dos rellonges sincronisats A i B en repòs en un sistema inercial es retarda sobre els dos rellonges. |
| També es poden medir atres efectes relativistes tals com contracció de la llongitut, efecte Doppler, aberració i les prediccions experimentals de teories relativistes tals com el Model estàndar. | ||
Experiments fonamentals
[editar | editar còdic]
Els efectes de la relativitat especial es poden derivar fenomenológicamente dels següents tres experiments fonamentals:[8]
- Experiment de Michelson-Morley, per lo que la dependència de la velocitat de la llum en la direcció del dispositiu de medició pot ser provat. S'establix la relació entre les llongituts llongitudinals i transversal dels cossos en moviment.
- Experimiento de Kennedy-Thorndike, pel qual la dependència de la velocitat de la llum en la velocitat del dispositiu de medició pot ser provada. S'establix la relació entre les llongituts llongitudinals i la duració de temps dels cossos en moviment.
- Experiment de Ives–Stilwell, pel qual la dilatació del temps pot ser directament provada.
A partir d'estos tres experiments i per mig de l'us de la sincronisació de Poincaré-Einstein, la completa transformació de Lorentz seguix, en sent el factor de Lorentz:[8]
Ademés de la derivació de la transformació de Lorentz, la combinació d'estos experiments també és important, ya que poden ser interpretats de diferents maneres quan s'analisen d'individualment. Per eixemple, els experiments d'isotropía com el de Michelson-Morley es poden interpretar com una simple conseqüència del principi de la relativitat, segons la qual qualsevol observador inercial en moviment pot considerar-se a sí mateixa com en repòs. Per lo tant, per sí mateixa, l'experiment MM és compatible en les teories d'invariancia de Galileo com la teoria de l'emissió o la hipòtesis d'arrastre complet d'Éter, que també conté algun tipo de principi de relativitat. No obstant, quan es consideren atres experiments que exclouen a les teories d'invariancia de Galileo (i.i. l'experiment Ives-Stilwell, la refutació de la teoria de l'emissió i de la hipòtesis de l'arrastre d'Éter), les teories de la invariante de Lorentz i la relativitat especial, per lo tant són les úniques teories que es mantenen viables.
Constància de la velocitat de la llum
[editar | editar còdic]Interferómetros, ressonadors
[editar | editar còdic]
S'han realisat variants modernes dels experiments de Michelson-Morley i Kennedy-Thorndike, en la finalitat de provar l'isotropía de la velocitat de la llum. En contra de Michelson-Morley, els experiments de Kennedy-Thorndike ampren diferents llongituts de braç, i les evaluacions duren varis mesos. D'eixe modo, es pot observar l'influència de diferents velocitats durant l'òrbita de la Terra al voltant del sol. S'utilisen Làserés, màserés i ressonadors òptics, lo que reduïx la possibilitat de qualsevol anisotropía de la velocitat de la llum en el ranc de 10-17. Ademés de les proves terrestres, també s'ha utilisat el Laser Ranging Retro-Reflector de la Lluna com una variació de l'experiment Kennedy-Thorndike.[4]
Un atre tipo d'experiments d'isotropía són els rotors de Moessbauer en la década de 1960, pel que la anisotropía del efecte Doppler en un disc giratori es pot observar a través del efecte Moessbauer (eixos experiments també poden utilisar-se per a medir la dilatació del temps, vore més avall).
No dependència de la velocitat o energia de la font
[editar | editar còdic]
La Teoria d'emissió, segons el qual la velocitat de la llum depén de la velocitat de la font, pot explicar possiblement el resultat negatiu d'experiments de deriva éter. No obstant, una série d'experiments han descartat esta classe de model. Per eixemple, l'experiment Alväger va demostrar que els fotons no adquirixen velocitat de la descomposició de posades d'alta velocitat presos com a font; l'experiment Sagnac va mostrar que els rajos de llum es mouen independentment de la velocitat de l'aparat de rotació; l'experiment de la doble estrela de de Sitter va demostrar que les òrbites estelars no apareixen tumults per diferents temps de propagació de la llum.
Les observacions d'explosions de Rajos gamma també varen demostrar que la velocitat de la llum és independent de la freqüència i l'energia dels rajos de llum.[9]
Velocitat de la llum en un sol sentit
[editar | editar còdic]Es varen portar a terme una série de medicions d'un sol sentit, totes elles confirmaven la isotropía de la velocitat de la llum.[5] No obstant, deu tindre's en conte que només es pot medir, sense ambigüitats, la velocitat de la llum en un experiment en el que la llum faça un viage d'anada i regrés(d'a B de regrés a A), ya que la velocitat d'anada depén de la definició de la simultaneidad i per lo tant en el método de sincronisació. La convenció de sincronisació de Einsten-Poincaré iguala la velocitat d'anada a la velocitat d'anada i regrés. No obstant, hi ha molts models que tenen velocitats isotrópicas de la llum de dos sentits, en el que la velocitat d'un sol sentit és anisotrópico elegint diferents esquemes de sincronisació. Són experimentalment equivalent a la relativitat especial, perque tots estos models inclouen efectes com la dilatació del temps dels rellonges en moviment, que compensen qualsevol anisotropía mesurable. No obstant, de tots els models que tenen velocitats de dos sentits isotrópicas, només la relativitat especial és acceptable per a l'immensa majoria dels físics ya que totes les atres sincronisació són molt més complicades, i eixos atres models (per eixemple, teoria de l'éter de Lorentz) es basen en els supòsits extrems i poc plausibles sobre alguns efectes dinàmics, que tenen per objecte ocultar el "marc preferent " de l'observació.
Isotropía de massa, energia i espai
[editar | editar còdic]_in_caps_block_21_.gif){kind=link}
Experiments de comparació de rellonges (perque els processos periòdics i les freqüències poden ser considerats com els rellonges), com l'experiment Hughes-Drever proporcionen proves rigoroses d'invariancia de Lorentz. Estos no es llimiten només a fotons com l'experiment de Michelson-Morley, pero determinen directament qualsevol anisotropía de la massa, l'energia, o l'espai per mig de la medició de l'estat fonamental del núcleu atòmic. S'ha proporcionat un llímit superior de tals anisotropía de 10-33 GeV. Aixina, estos experiments estan entre les comprovacions més precises de la invariancia de Lorentz jamai realisats.[3][4]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ 1,0 1,1 1,2 Lämmerzahl, C.(2005).Annalen der Physik.517(1)
- 71–102.doi:10.1002/andp.200410127.
- ↑ Zhang, Yuan Zhong (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations, World Scientific. ISBN 978-981-02-2749-4.
- ↑ 3,0 3,1 Mattingly, David(2005).Living Rev. Relativity.8(5)
- ↑ 4,0 4,1 4,2 Will, C.M (2006). «Special Relativity: A Centenary Perspective», T. Damour, O. Darrigol, B. Duplantier und V. Rivasseau (ed.). Poincare Seminar 2005, Basel: Birkhauser, pp. 33–58.
- ↑ 5,0 5,1 «What is the experimental basis of Special Relativity?». Usenet Physics FAQ. University of Califòrnia, Riverside. Consultat el 31 d'octubre de 2010.
- ↑ Lodge, Oliver, Sir (1909). L'éter de l'espai.
- ↑ Lämmerzahl, C.(2005).Annalen der Physik.517(1)
- 71–102.doi:10.1002/andp.200410127.
- ↑ 8,0 8,1 Robertson, H. P.(1949).Reviews of Modern Physics.21(3)
- 378–382.doi:10.1103/RevModPhys.21.378.
- ↑ Fermi LAT Collaboration(2009).Nature.462(7271)
- 331–334.doi:10.1038/nature08574.
Bibliografia
[editar | editar còdic]- Annalen der Physik.17
- 891–921. (en espanyol)
- Editat per David Hilbert, Leipzig per BG Teubner.2
- 431–444. (en espanyol)
- Verslagen der Afdeeling Natuurkunde der KNAW.
- 74-79. (en espanyol)
- America Journal of Physics.31
- 342-355. (en espanyol)
- Science Vol.177.
- 166–170. (en espanyol)
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Pruebas de la relatividad especial» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.