1. Introducción
La física es una ciencia experimental y, como tal, la base experimental de cualquier teoría física es extremadamente importante. La relación entre teoría y experimentos en la ciencia moderna es una espada de múltiples filos:
  1. Se requiere que la teoría no sea refutada por ningún experimento indiscutible dentro del dominio de aplicabilidad de la teoría.
  2. Se espera que la teoría sea confirmada por una serie de experimentos que:
    • cubren una fracción significativa del dominio de aplicabilidad de la teoría.
    • examinar una fracción significativa de las predicciones de la teoría.
En la actualidad, la Relatividad Especial (RE) cumple con todos estos requisitos y expectativas. Hay literalmente cientos de experimentos que han probado la RE, con una enorme variedad y diversidad, y la concordancia entre teoría y experimento es excelente. Hay mucha redundancia en estas pruebas experimentales. También hay muchas pruebas indirectas de RE que no se incluyen aquí. ¡Esta lista de experimentos no está completa!
Aparte de sus números, lo más sorprendente de estas pruebas experimentales de RE es su notable amplitud y diversidad. Un aspecto importante de la RE es su universalidad: se aplica a todos los fenómenos físicos conocidos y no solo a los fenómenos electromagnéticos para los que se inventó originalmente para explicar. En estos experimentos, encontrará pruebas que utilizan mediciones electromagnéticas y nucleares (que incluyen interacciones fuertes y débiles). Las pruebas gravitacionales son competencia de la Relatividad General y no se consideran aquí.
Hay varios estudios útiles sobre la base experimental de la RE:
  • Pruebas modernas de invariancia de Lorentz en LivingReviews.
  • YZ Zhang, Relatividad especial y sus fundamentos experimentales , World Scientific (1997).
  • G. Holton, “Carta de recursos SRT-1 sobre la teoría de la relatividad especial”, Enm. J. Phys., 30 (1962), pág. 462.
  • DI Blotkhintsev, "Base para la teoría de la relatividad especial proporcionada por experimentos en física de altas energías", Sov. Phys. Uspekhi, 9 (1966), pág. 405.
  • Newman y col. Phys. Rev. Lett. 40 no. 21 (1978), pág. 1355.
El libro de Zhang es especialmente completo. El artículo LivingReviews entra en detalles considerables relacionando las ideas teóricas actuales con las pruebas experimentales.
Los libros de texto con buenos resúmenes de la base experimental de la relatividad son:
  • M. Born, teoría de la relatividad de Einstein .
  • Bergmann, Introducción a la teoría de la relatividad .
  • Moller, La teoría de la relatividad .
  • M. von Laue, Die relativitätstheorie (en alemán).
Albert Einstein presentó al mundo la Relatividad Especial en su artículo semanal de 1905: A. Einstein, “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, Ann. re. Physik, 17, 1905 ("Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento"). Está disponible en varias formas:Sin embargo, hay que tener en cuenta que RE no es perfecta (de acuerdo con todos los experimentos), y hay algunos experimentos que están en desacuerdo con sus predicciones. ConsulteExperimentos que aparentemente no son consistentes con RE, donde se hace referencia y se discuten algunos de estos experimentos. Está claro que la mayoría, si no todos, de estos experimentos tienen dificultades que no están relacionadas con la RE. Tenga en cuenta también que pocas o ninguna referencia estándar o libros de texto siquiera mencionan la posibilidad de que algunos experimentos puedan ser inconsistentes con RE, y también hay aspectos de sesgo de publicación en la literatura. Dicho esto, al momento de escribir este artículo, no hay experimentos reproducibles y generalmente aceptados que sean inconsistentes con RE, dentro de su dominio de aplicabilidad.
Técnicamente, la base de la RE es la invariancia de Lorentz, y muchos artículos recientes lo expresan de esa manera. Esto está estrechamente relacionado con el teorema CPT, y muchos de los experimentos recientes se aplican tanto a la invariancia de Lorentz como a la CPT. Recientemente ha habido conferencias sobre invariancia de Lorentz y violaciones CPT :
  • Kostelecký, VA, ed., CPT y Lorentz Symmetry , Actas de la reunión celebrada en la Universidad de Indiana, Bloomington, EE. UU., Del 6 al 8 de noviembre de 1998 (World Scientific, Singapur, 1999).
  • Kostelecký, VA, ed., Tercera reunión sobre CPT y simetría de Lorentz , Actas de la reunión celebrada en Bloomington, EE. UU., 4-7 de agosto de 2004, (World Scientific, Singapur, 2005).
Gran parte del interés renovado en las pruebas de RE proviene de consideraciones de gravedad cuántica, que implican que a una escala adecuada (distancia muy pequeña, energía muy alta) RE bien podría violarse. Aquí hay algunos artículos de revisión (ordenados de menos a más técnicos):
  • Kostelecký, "La búsqueda de violaciones de la relatividad", Scientific American, septiembre de 2004, pág. 93.
  • Pospelov y Romalis, “Lorentz Invariance on Trial”, Physics Today, 57, pág. 40 (julio de 2004).
  • Will, “Relatividad especial: una perspectiva centenaria”, arxiv: https://arxiv.org/abs/gr-qc/0504085 .
  • Mattingly, "Pruebas modernas de invariancia de Lorentz", arxiv: https://arxiv.org/abs/gr-qc/0502097 .
También hay una nueva literatura sobre la “relatividad doblemente especial”, en la que hay dos escalas invariantes: la velocidad de la luz y la escala de Planck. Hay una introducción disponible (pero esto es mucho más técnico que las revisiones anteriores):

Dominio de aplicabilidad
El dominio de aplicabilidad de una teoría física es el conjunto de situaciones físicas en las que la teoría es válida. Para RE, esto es básicamente medidas de distancia, tiempo, momento, energía, etc. en marcos inerciales (coordenadas); El cálculo se puede utilizar para aplicar RE en sistemas acelerados, al igual que las matemáticas más avanzadas de la geometría diferencial. Una definición más técnica es que RE es válido solo en variedades de Lorentz planas topológicamente equivalentes a .
En particular, cualquier experimento en el que los efectos de la gravitación sean importantes está fuera del dominio de RE. Debido a que RE es el límite local de la relatividad general, es posible calcular qué tan grande se comete un error cuando se aplica RE a una situación que es aproximadamente, pero no exactamente inercial, como el caso común de un aparato experimental apoyado contra la gravedad en la superficie de la Tierra. . En muchos casos (por ejemplo, la mayoría de los experimentos ópticos y de partículas elementales en la superficie de la Tierra en rotación) estos errores son mucho más pequeños que la resolución experimental, y la RE puede aplicarse con precisión.


Prueba las teorías de la RE
Una teoría de prueba de RE es una generalización de las transformadas de Lorentz de RE usando parámetros adicionales. Luego, se pueden analizar experimentos utilizando la teoría de la prueba (en lugar de la propia SR) y ajustar los parámetros de la teoría de la prueba a los resultados experimentales. Si los valores de los parámetros ajustados difieren significativamente de los valores correspondientes a RE, entonces el experimento es inconsistente con RE. Pero más normalmente, tales ajustes pueden mostrar qué tan bien un experimento dado confirma o no está de acuerdo con RE, y cuál es la precisión experimental para hacerlo. Esto proporciona un método de análisis general y manejable que puede ser común a múltiples experimentos.
Las diferentes teorías de prueba difieren en sus supuestos sobre qué forma podrían tomar razonablemente las ecuaciones de transformación. Actualmente existen cuatro teorías de prueba de la RE:
  • Robertson, Rev. de Mod. Phys. 21 , pág. 378 (1949).
  • Edwards, Am. J. Phys. 31 (1963), pág. 482.
  • Mansouri y Sexl, Gen. Rel. Grav. 8 (1977), pág. 497, pág. 515, pág. 809.
  • Zhang, Relatividad especial y sus fundamentos experimentales.
Zhang analiza sus interrelaciones y presenta una teoría de prueba unificada que abarca las otras tres, pero con una parametrización mejor y más interpretable. Su discusión implica que no habrá más teorías de prueba de RE que no sean reducibles a una de las tres primeras.
Robertson demostró que se puede deducir sin ambigüedades la transformada de Lorentz de RE con una precisión de ~ 0,1% a partir de los siguientes tres experimentos: Michelson y Morley, Kennedy y Thorndike, Ives y Stilwell. Zhang demostró que los experimentos modernos determinan la transformación de Lorentz en unas pocas partes por millón.
Estas teorías de prueba también se pueden utilizar para examinar posibles teorías alternativas a la RE; estas teorías alternativas predicen valores particulares de los parámetros de la teoría de la prueba, que pueden compararse fácilmente con los valores determinados por experimentos analizados con la teoría de la prueba. Los experimentos existentes imponen fuertes restricciones experimentales a cualquier teoría alternativa.
En particular, Zhang demostró que estos límites experimentales requieren esencialmente que cualquier teoría basada en la existencia de un éter sea experimentalmente indistinguible de la RE, y tenga un marco en el que el éter no sea observable (la única alternativa es que una teoría “viva en las barras de error ” de los estos experimentos, lo cual es bastante difícil, dadas las altas precisiones logradas por muchos de estos experimentos).
Hay que tener en cuenta también que algunos de los parámetros en estas teorías de prueba no están determinados en absoluto por la RE (o por experimentos); esto significa que muchas teorías diferentes, caracterizadas por valores diferentes de dichos parámetros, son equivalentes a RE en el sentido de que son experimentalmente indistinguibles de RE (aunque difieren de RE en otros aspectos).
Además, existe la "extensión del modelo estándar (SME) EMS" de Colladay y Kostelecký que extiende el modelo estándar de física de partículas con varios términos plausibles que violan Lorentz. Esto está en el contexto de la teoría cuántica de campos y está más allá del alcance de este artículo (que se limita a la RE y sus consecuencias inmediatas). El objetivo de muchas de las pruebas recientes es poner límites a los muchos parámetros de esta teoría de prueba. Colladay y Kostelecký, Phys. Rev. D55 (1997) pág. 6760 (arxiv: https://arxiv.org/abs/hep-ph/9703464 ) y Phys. Rev. D 58, 116002 (1998) (arxiv: https://arxiv.org/abs/hep-ph/9809521 ).


Extinción óptica
Muchas mediciones de la velocidad de la luz implican el paso de la luz a través de algún medio material. Esto puede invalidar algunas conclusiones de la medición debido al teorema de extinción de Ewald y Oseen. Este teorema establece que la velocidad de la luz se acercará a la velocidad relativa al medio ( es su índice de refracción), y también determina cuánto tiempo se requiere una trayectoria para ese enfoque. La distancia requerida depende en gran medida del índice de refracción del medio y de la longitud de onda: para la luz visible y el vidrio óptico es inferior a una micra, para el aire es de aproximadamente un milímetro y para el medio intergaláctico es de varios años luz. Por tanto, incluso las observaciones astronómicas a grandes distancias en el "vacío" del espacio exterior no son inmunes a los efectos de este teorema. Tenga en cuenta que este teorema se basa puramente en la electrodinámica clásica y no se aplica a los rayos gamma detectados como partículas individuales; tampoco está claro cómo se aplicaría a teorías distintas de la RE y la electrodinámica clásica. Véase, por ejemplo:
  • JG Fox, Am. J. Phys. 30 , pág. 297 (1962) ,
  • JOSA 57 , pág. 967 (1967) y
  • AJP 33 , pág. 1 (1964) .
  • En Ballenegger y Weber, AJP 67 , pág. 599 (1999) se ofrece una discusión elemental .
  • La referencia estándar para esto es Born and Wolf, Principles of Optics
  • y el artículo original es Oseen, Ann. der Physik 48, pág. 1, 1915 .

Base experimental de la Relatividad Especial - Indice
1. Introducción
2. Experimentos tempranos (anteriores a 1905)
3. Pruebas de los dos postulados de Einstein
4. Pruebas de dilatación del tiempo y efecto Doppler transversal
5. Pruebas de la paradoja de los gemelos
6. Pruebas de cinemática relativista
7. Pruebas de contracción de la longitud
8. Pruebas recientes de CPT e invariancia de Lorentz
9. Otros experimentos
10. Experimentos que aparentemente no son consistentes con RE / GR
11. Expresiones de gratitud y copyrigth