El estudio de la velocidad de la luz es un tema apasionante y sutil que da lugar a mil preguntas.
1) ¿Puedo medir la velocidad de la luz?
No. La emergencia de la relatividad especial (y el hecho de que la constancia de la velocidad de la luz en cualquier sistema de referencia inercial es su segundo postulado) ha dado lugar a un cambio en la forma de definir las unidades fundamentales. Hoy en día, el metro queda definido com el camino que recorre la luz en 1/299792458 s. El segundo está definido por una frecuencia de una transición atómica (que es un estándar que ya resulta obsoleto dado los nuevos relojes "fuente" con medidas de tiempo cuya precisión se sitúa en torno a los 10^{-16}s). La medición de la velocidad de la luz es pues una tautología ya que debe primero definirse el metro usando la propagación de fotones. En resumen, la velocida de la luz c=299792458 m/s es una definición, no tiene error porque no es una observación.
Algún día se optará por definir la unidad de energía(masa) empleando una definición de hbarra, la constante de Planck. Así se completará un hecho notable. La ecuación de Newton, F=m a, tiene tres magnitudes a su derecha, tiempo, longitud y masa. Basta definir una y postular dos relaciones. Esas serían c y hbarra. Es tremendamente elegante.
2) ¿Qué subyace bajo el concepto de la velocidad de la luz?
Causalidad. Los fotones y cualquier partícula sin masa se propagan a c. Esta es la velocidad máxima de transmisión de cualquier señal. Por lo tanto, implementan "causalidad". Causalidad tiene que ver con que la causa precede al efecto, pero de forma más refinada implica la acción de depositar energía en un lugar alejado. Es una idea a veces confusa. Causalidad está asociada a que una causa realice un trabajo en otro lugar.
3) ¿Viola causalidad el colapso de la función de onda en Mecánica Cuántica?
No. Una medida nos da, de forma inmediata, información sobre todo el sistema. Ello no implica poder enviar un mensaje de forma inmediata o realizar una acción de forma que se viole causalidad. Por ejemplo, vuelvo de un viaje a China, abro la maleta y veo que tengo un calcetín negro desemparejado. Sé que en China hay otro calcetín negro. Mi información se ha hecho precisa de forma instantánea, ha colapsado. Pero no hay transporte de fotones o señales, no hay acciones a distancia.
4) ¿Matemáticamente, qué es la velocidad de la luz?
El propagador de un fotón tiene una singularidad sobre el cono de luz, que viene definido por c^2 t^2- (\vec x)^2=0. Esta relación se sigue a partir de la invariancia Poincaré. Toda teoría invariante Poincaré con partículas sin masa tendrá propagadores con el mismo cono de luz y que, por lo tanto, viajen a c y definan causalidad. Para tener una variación de c, debe violarse la simetría Poincaré.
5) ¿Se puede violar la simetría Poincaré?
Sí. Existen condiciones que violan esa simetría. Un fotón puede viajar por un espacio curvo. La simetría Poincaré sólo es válida localmente (principio de equivalencia de Einstein). En geodésicas en espacio de curvatura no nula, los fotones definirán causalidad, pero no viajarán a c. Se pueden tener otras violaciones de la simetría Poincaré con placas, efecto Casimir o como descripción efectiva de baños térmicos o zonas llenas de campos electromagnéticos.
(Hay un mundo detrás del concepto de poder viajar en el tiempo en espacios con agujeros de gusano y la idea de Hawking de proponer un principio de protección cronológica.)
6) ¿Se puede medir una variación de la velocidad de la luz?
Es increíblemente difícil. Para ello habría que tener, por ejemplo, un mismo experimento con placas y sin placas de efecto Casimir y observar una diferencia. Eso se puede hacer para la energía Casimir. El problema es que el efecto es típicamente E/m^4, donde E es la diferencia de energías del vacío y m la masa del electrón. Por ejemplo tomemos el caso térmico E\sim T^4. El efecto dentro del Sol está suprimido por cuarenta órdenes de magnitud.
7) He leído que se ha transmitido señales a v>c. ¿Es correcto?
Los experimentos que llevan el sello de velocidad supralumínica son un tanto engañosos. En esos experimentos se envían paquetes de onda cuya velocidad de grupo supera a c. Eso se publicita de forma aparatosa. Sin embargo, la parte del paquete de ondas de frecuencias más altas siempre viaja a c. Son los precursores (forerunners) que empiezan a depositar energía. Nada viola la simetría Poincaré, c es constante. Otras velocidades en un paquete, com la velocidad de fase, tampoco está asociada a transporte de energía y no está sujeta a ninguna restricción.
Un fotón que viene de un quásar en el confín del universo ha obedecido estas leyes de forma imperturbable durante 10^17 segundos.
1) ¿Puedo medir la velocidad de la luz?
No. La emergencia de la relatividad especial (y el hecho de que la constancia de la velocidad de la luz en cualquier sistema de referencia inercial es su segundo postulado) ha dado lugar a un cambio en la forma de definir las unidades fundamentales. Hoy en día, el metro queda definido com el camino que recorre la luz en 1/299792458 s. El segundo está definido por una frecuencia de una transición atómica (que es un estándar que ya resulta obsoleto dado los nuevos relojes "fuente" con medidas de tiempo cuya precisión se sitúa en torno a los 10^{-16}s). La medición de la velocidad de la luz es pues una tautología ya que debe primero definirse el metro usando la propagación de fotones. En resumen, la velocida de la luz c=299792458 m/s es una definición, no tiene error porque no es una observación.
Algún día se optará por definir la unidad de energía(masa) empleando una definición de hbarra, la constante de Planck. Así se completará un hecho notable. La ecuación de Newton, F=m a, tiene tres magnitudes a su derecha, tiempo, longitud y masa. Basta definir una y postular dos relaciones. Esas serían c y hbarra. Es tremendamente elegante.
2) ¿Qué subyace bajo el concepto de la velocidad de la luz?
Causalidad. Los fotones y cualquier partícula sin masa se propagan a c. Esta es la velocidad máxima de transmisión de cualquier señal. Por lo tanto, implementan "causalidad". Causalidad tiene que ver con que la causa precede al efecto, pero de forma más refinada implica la acción de depositar energía en un lugar alejado. Es una idea a veces confusa. Causalidad está asociada a que una causa realice un trabajo en otro lugar.
3) ¿Viola causalidad el colapso de la función de onda en Mecánica Cuántica?
No. Una medida nos da, de forma inmediata, información sobre todo el sistema. Ello no implica poder enviar un mensaje de forma inmediata o realizar una acción de forma que se viole causalidad. Por ejemplo, vuelvo de un viaje a China, abro la maleta y veo que tengo un calcetín negro desemparejado. Sé que en China hay otro calcetín negro. Mi información se ha hecho precisa de forma instantánea, ha colapsado. Pero no hay transporte de fotones o señales, no hay acciones a distancia.
4) ¿Matemáticamente, qué es la velocidad de la luz?
El propagador de un fotón tiene una singularidad sobre el cono de luz, que viene definido por c^2 t^2- (\vec x)^2=0. Esta relación se sigue a partir de la invariancia Poincaré. Toda teoría invariante Poincaré con partículas sin masa tendrá propagadores con el mismo cono de luz y que, por lo tanto, viajen a c y definan causalidad. Para tener una variación de c, debe violarse la simetría Poincaré.
5) ¿Se puede violar la simetría Poincaré?
Sí. Existen condiciones que violan esa simetría. Un fotón puede viajar por un espacio curvo. La simetría Poincaré sólo es válida localmente (principio de equivalencia de Einstein). En geodésicas en espacio de curvatura no nula, los fotones definirán causalidad, pero no viajarán a c. Se pueden tener otras violaciones de la simetría Poincaré con placas, efecto Casimir o como descripción efectiva de baños térmicos o zonas llenas de campos electromagnéticos.
(Hay un mundo detrás del concepto de poder viajar en el tiempo en espacios con agujeros de gusano y la idea de Hawking de proponer un principio de protección cronológica.)
6) ¿Se puede medir una variación de la velocidad de la luz?
Es increíblemente difícil. Para ello habría que tener, por ejemplo, un mismo experimento con placas y sin placas de efecto Casimir y observar una diferencia. Eso se puede hacer para la energía Casimir. El problema es que el efecto es típicamente E/m^4, donde E es la diferencia de energías del vacío y m la masa del electrón. Por ejemplo tomemos el caso térmico E\sim T^4. El efecto dentro del Sol está suprimido por cuarenta órdenes de magnitud.
7) He leído que se ha transmitido señales a v>c. ¿Es correcto?
Los experimentos que llevan el sello de velocidad supralumínica son un tanto engañosos. En esos experimentos se envían paquetes de onda cuya velocidad de grupo supera a c. Eso se publicita de forma aparatosa. Sin embargo, la parte del paquete de ondas de frecuencias más altas siempre viaja a c. Son los precursores (forerunners) que empiezan a depositar energía. Nada viola la simetría Poincaré, c es constante. Otras velocidades en un paquete, com la velocidad de fase, tampoco está asociada a transporte de energía y no está sujeta a ninguna restricción.
Un fotón que viene de un quásar en el confín del universo ha obedecido estas leyes de forma imperturbable durante 10^17 segundos.
12 comentarios:
¿Sería admisible la existencia, aunque inestable, de un fotón con momento angular S nulo? En principio, tener nº de spin=1 permite S=-1,0,1 pero para el fotón se prohíbe ese estado 0 por no tener masa. No obstante he leído que su existencia podría resolver alguna cuestión como la de que la producción electrón positrón en el vacío es termodinámicamente incorrecta.
Gracias.
No. Las partículas elementales sin masa corresponden a las representaciones del grupo de Poincaré con P^2=0 y sólo presentan los dos estados extremos de helicidad. El fotón, pues, da lugar al S=+1 y al S=-1. Un gravitón también es un estado de masa nula pero de spin 2, luego S=+2 y S=-2 son sus estados posibles. Estos resultados son consecuencia de la simetría Poincaré. Para escapar a ellos, debería violarse esta simetría. La naturaleza parece respetarla de forma muy precisa.
Muy interesantes tus comentarios. Me gustaría que comentases la siguiente afirmación de tu papel 'Speed of Light in Non-Trivial Vacua':
"An enigmatic consequence of assuming full generality of the equation we have just discussed takes place in cosmology. There, open, closed and critical universes are distinguished by their total energy content. It follows from Eq. (8.1) that the critical universe is singularized as low–energy photons travel in it with speed c, due to the cancellation of all vacuum energy contributions."
No veo qué relación hay entre la geometría del espacio en un modelo FRW y la densidad energética del vacío. La luz debería transitar en todo modelo de universo con velocidad c de forma local, al ser todo espacio-tiempo localmente igual al de Minkowski. ¿No es así?
Clásicamente, lo que dices es correcto. El principio de equivalencia dicta que el espacio es localmente plano y los fotones viajan a c. Sin embargo las fluctuaciones cuánticas del vacío sí son sensibles a la curvatura. Eso hace que aparezca una corrección cuántica a la velocidad de la luz. El diagrama de Feynman responsable de este efecto es el llamado forward scattering en el que un fotón crea una pareja electrón-positrón que, a su vez, interactúan con el tensor-energía impulso (sensible a la curvatura). En consecuencia, c se ve modificada a segundo orden de teoría de perturbaciones. El efecto es pues una mezcla de la constante de estructura fina electromagnética y de la constante de Newton. Es un efecto sutil.
Entiendo tu explicación heuristica para el caso del fotón en un modelo como la QED, donde la interacción entre el campo electromagnético y el campo de Dirac da lugar a la creación de pares electrón-positrón. En tal caso entiendo, si entiendo bien, que los pares creados son masivos y tienen Tuv diferente al fotón cosa que hace que se acoplen de diferente forma a la gravitación que actúa sobre ellos y, en definitiva, hace propagar la luz de diferente forma.
Pero hay algo que no entiendo. En vuestro papel los resultados son generales, no sólo para la luz o campos en interacción, sino también para un campo escalar libre, como se desarrolla a modo de ejemplo. ¿Es esto correcto? Las excitaciones de un campo escalar libre no crean pares virtuales al propagarse. En tal caso no veo cómo enlazar tu explicación heurística anterior con esto.
Como bien dices, los campos libres no verían el campo gravitatorio. El efecto, como te decía, es proporcional a (alfa*G),
donde alfa es la constante de acoplamiento de QED. Es pues necesario una creación de partículas virtuales que son las que exploran la curvatura del espacio. En una teoría escalar con acoplamiento lambda phi^4, el efecto también aparecería, pero no así en teorías libres.
Aclarado, gracias!
Perdoname pero PIEDAD!
Yo creía que c, en el vacío, es fija pero por lo que dices parece que no.
Quisiera entender este tema ya que me apasiona pero me pierdo.
Puedes dar una explicación para idiotas?
Gracias
Sí, la velocidad en el vacío se define. Pero si deformamos el vacío (sea añadiendo un campo electromagnético, sea colocando placas, sea añadiendo gravitación, etc..), entonces es legítimo preguntarse como varía la velocidad de la luz que fue fijada en el vacío puro y duro. En el fondo, las modificaciones del vacío corresponden a una interacción (técnicamente, segundo orden en teoría de perturbaciones en electrodinámica cuántica).
un saludo, ji.
Gracias, si me permite, a riesgo de abusar de su amabilidad, pregunto más:
Si he entendido bien:
Lo que ocurre es que al igual que el aire o el agua frena la luz, campos gravitatorios o electromagnéticos pudieran influenciarla en un sentido u otro.
Y para hacer la cosa más fastidiosa el hecho de medir la velocidad de la luz pudiera modificar el resultado. (nos ha salido vergonzosa la amiga...J)
Yo me pregunto si no se puede medir este efecto, bien haciendo mediciones dentro distintos campos electromagnéticos, bien subiendo un aparato (si cabe) que mide la velocidad de la luz en una sonda que vaya lejos de la Tierra.
Parto de la premisa por demostrar que podemos aislar electromagneticamente e inducir campos a voluntad y que, por ejemplo, a mitad de camino entre la Tierra y Marte el campo gravitatorio es muy distinto al que tenemos aquí por lo que supongo habría diferencias.
Por otra parte puedo asumir entonces que dado que el espacio no está vacío, hay una pequeña densidad de polvo y gases, montones de partículas viajando así como la radiación de fondo, esto debería influir en la velocidad de la luz, correcto?
Entonces la velocidad que se da como teórica en el vacío es la que tenemos en el espacio o la que hemos medido con aparatos en vacío (suponiendo que fuera posible hacer el vacío absoluto en una cámara).
Saludos
Pues Bien cada idea expresada aqui solo son tendencias que descansan en la relatividad de Einstein, pero la fisica cuantica es en si misma una conjugacion de la probabilidad y la energia , por lo tanto el vacio solo existe en ausencia de la energia o lo que es lo mismo ,la naturaleza del observador, asi que dediquen sus vidas a existir ....(^_^)
Hace dos años y medio; el 5 de enero del 2.012 Noticias Puebla publicó mi comentario sobre la variabilidad de la Velocidad de la Luz, escrito en el 2.011
http://noticiaspuebla.wordpress.com/2012/01/05/excelentes-reflexiones-de-martin-jaramillo-sobre-la-velocidad-de-la-luz-noticias-puebla/
Catorce meses después se publica en internet el siguiente artículo:
http://espanol.christianpost.com/news/contradiciendo-a-einstein-cientificos-dicen-que-la-velocidad-de-la-luz-no-es-una-constante-11898/
Hace 12 días se publica en un magazín científico: http://fundacion-eticotaku.org/2013/04/26/dos-nuevos-estudios-cientificos-sugieren-que-la-velocidad-de-la-luz-no-es-constante-sino-que-fluctua-en-base-a-la-energia-del-medio/
A Martín Jaramillo se le puede ignorar pero las verdades terminan por imponerse aunque sea mucho tiempo después.
Si quieren conocer la demostración geométrica de la imposibilidad de que "c" sea constante, solicítela gratis a: martinjaramilloperez@gmail.com y te anexo la teoría de la que hace parte.
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