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Publicado por El Rincón de la Ciencia, Tecnología y el Conocimiento en Jueves, 21 de julio de 2016

FRASES DE CIENCIA

viernes, 9 de diciembre de 2016

La teoría del " espacio-tiempo "

A2F 



Espacio-tiempo. Entidad geométrica en la cual se desarrollan todos los eventos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad y otras teorías físicas. 

El nombre alude a la necesidad de considerar unificadamente la localización geométrica en el tiempo y el espacio, ya que la diferencia entre componentes espaciales y temporales es relativa según el estado de movimiento del observador. 

De este modo, se habla del continuo espacio-temporal. 

Debido a que el universo tiene tres dimensiones espaciales físicas observables, es usual referirse al tiempo como la "cuarta dimensión" y al espacio-tiempo como "espacio de cuatro dimensiones" para enfatizar la inevitabilidad de considerar el tiempo como una dimensión geométrica más. 

La expresión espacio-tiempo ha devenido de uso corriente a partir de la Teoría de la Relatividad especial formulada por Albert Einstein en 1905.

Historia

En general, un evento específico puede ser descrito por una o más coordenadas espaciales, y una temporal. Por ejemplo, para identificar de manera única un accidente automovilístico, se pueden dar la longitud y latitud del punto donde ocurrió (dos coordenadas espaciales), y cuándo ocurrió (una coordenada temporal). 

En el espacio tridimensional, se requieren tres coordenadas espaciales. Sin embargo, la visión tradicional en la cual se basa la mecánica Clásica, cuyos principios fundamentales fueron establecidos por Isaac Newton, es que el tiempo es una coordenada independiente de las coordenadas espaciales y es una magnitud idéntica para cualquier observador. 

Esta visión concuerda con la experiencia: si un evento ocurre a 10 metros, es natural preguntar a 10 metros de qué, pero si nos informan que ocurrió un accidente a las 10 de la mañana en nuestro país, ese tiempo tiene carácter absoluto.

Sin embargo, resultados como el experimento de Michelson y Morley, y las ecuaciones de Maxwell para la electrodinámica, sugerían, a principios del siglo XX, que la Velocidad de la luz es constante, independiente de la velocidad del emisor u observador, en contradicción con lo postulado por la mecánica clásica.

Albert Einstein propuso como solución a éste y otros problemas de la mecánica clásica considerar como postulado la constancia de la velocidad de la luz, y prescindir de la noción del tiempo como una coordenada independiente. 

En la Teoría de la Relatividad, espacio y tiempo tienen carácter relativo o convencional, dependiendo del estado de movimiento del observador. 

Eso se refleja por ejemplo en que las transformaciones de coordenadas entre observadores inerciales (las Transformaciones de Lorentz), involucran una combinación de las coordenadas espaciales y temporal. 

El mismo hecho se refleja en la medición de un campo electromagnético, que está formado por una parte eléctrica y otra parte magnética, pues dependiendo del estado de movimiento del observador el campo electromagnético es visto de diferente manera entre su parte magnética y eléctrica por diferentes observadores en movimiento relativo.

La expresión espacio-tiempo recoge entonces la noción de que el espacio y el tiempo ya no pueden ser consideradas entidades independientes o absolutas.

Las consecuencias de esta relatividad del tiempo han tenido diversas comprobaciones experimentales. Una de ellas se realizó utilizando dos relojes atómicos de elevada precisión, inicialmente sincronizados, uno de los cuales se mantuvo fijo mientras que el otro fue transportado en un avión. Al regresar del viaje se constató que mostraban una leve diferencia de 184 nanosegundos, habiendo transcurrido "el tiempo" más lentamente para el reloj en movimiento.

Topología del espacio-tiempo

La topología del espacio tiempo tiene que ver con la estructura causal del mismo. Por ejemplo es interesante conocer SI en un espacio-tiempo:
  • Existe la curva temporal cerrada; ese tipo de ocurrencia permitiría a una partícula influir en su propio pasado. Algunas soluciones exactas de las ecuaciones de Einstein como el Universo de Gödel, que describe un universo lleno de un fluido perfecto en rotación, permiten dichas curvas temporales cerradas.
  • Existen hipersuperficies de Cauchy, lo cual permite, en principio, conocido el estado del sistema sobre una de estas superficies, conocer el estado en un instante futuro. Siempre y cuando los efectos cuánticos tengan efectos limitados, la existencia de hipersuperficies comporta la evolución determinista.
Existen geodésicas incompletas, lo cual está relacionado con la ocurrencia de singularidades espaciotemporales en los que se encuentran los agujeros negros.

El espacio tiempo de Eisntein

Einstein planteaba que resulta imposible distinguir entre un sistema de referencia acelerado y un sistema de referencia sometida a una fuerza gravitacional. 

En segundo lugar que de esta indistinguibilidad, y de las consecuencias de todo tipo que ello comporta, se infiere la igualdad entre inercia y gravitación. 

En tercer lugar que, de acuerdo con su interpretación de las transformaciones de Lorentz, espacio y tiempo dejan de ser entidades separadas para aparecer interconectados. 

En cuarto lugar que esta interconexión obligará a abandonar, como escenario en el que los fenómenos físicos se despliegan, el espacio y el tiempo como entidades separadas para sustituirlos por una entidad única a la que se denominará espacio-tiempo.

En quinto lugar que la gravitación afecta al espacio-tiempo de cada “lugar” y le dicta como curvarse. Por último que, al ser el movimiento bajo la acción de un campo gravitacional independiente de la masa del objeto móvil, es lícito pensar que ese movimiento viene ligado al “lugar” y que las trayectorias líneas geodésicas vienen marcadas por la estructura del tejido espacio-temporal en el que deslizan.

La fuerza gravitacional acabaría, así, convirtiéndose en una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo. De ahí se deduce que en este esquema no hay acción a distancia ni misteriosas tendencias a moverse hacia extraños centros, tampoco espacios absolutos que contienen a, o tiempos absolutos que discurran al margen de, la materia.

La masa le dice al espacio-tiempo como curvarse y éste le dicta a la masa cómo moverse. Es el contenido material quien crea el espacio y el tiempo.

Fuente

Vídeo:

La teoría del " espacio-tiempo " Desde Einstein, quien sorprendió al mundo

Hace 100 años, Albert Einstein presentó en Berlín la Teoría de la Relatividad General, una teoría que removió los cimientos de la Física. Para conmemorar este centenario, EL MUNDO, en colaboración con la Fundación BBVA, analiza todas las claves de esta revolución científica con ayuda de los mejores expertos mundiales.

Hay una fuerza, de las cuatro que hemos identificado en la naturaleza, con la que estamos familiarizados, cuya presencia es omnipresente en el espacio y el tiempo, es la gravitacional. Sabemos de las otras tres fuerzas -la electromagnética, la fuerte (que impide que los núcleos de los átomos que constituyen nuestros cuerpos se rompan) y la débil (responsable de los fenómenos radiactivos) -, pero de ninguna somos tan conscientes como de la gravitacional, que nos acompaña de la cuna a la tumba.

Los antiguos griegos, con Aristóteles a la cabeza, trataron de explicar la gravedad basándose en "movimientos y lugares naturales", en los que la cuantificación del cambio de posición brillaba por su ausencia. Sería Galileo quien, casi dos mil años después, se hizo - y respondió - la aparentemente humilde pregunta de cuánto tiempo tarda un cuerpo en caer.

Y en 1687, Isaac Newton presentó tres leyes que rigen cualquier movimiento, más una ley específica para la gravitación, conjunto que mantuvo su vigencia hasta que en 1915 Albert Einstein lo modificó radicalmente.Fue el 25 de noviembre de aquel año cuando Einstein presentó la formulación de la nueva teoría de la gravitación en un artículo de cuatro páginas titulado "Las ecuaciones del campo gravitacional", que se publicó el 2 de diciembre en las actas de la Academia.

Se trataba de una construcción completamente diferente a todas las que habían existido anteriormente en la Física, y también a las que se han construido después.

Mientras que hasta entonces el marco geométrico, el espacio en el que tenían lugar los fenómenos que describía la teoría en cuestión no se veía afectado por estos, en la formulación que presentó Einstein, denominada "teoría de la relatividad general", la forma de ese escenario, del espacio, ahora indisolublemente asociado al tiempo - de ahí que haya que hablar de un espacio-tiempo cuatridimensional -, dependía de la materia-energía que contuviese, y cómo ésta obviamente cambia (de lugar, de estado) con el paso del tiempo, el espacio-tiempo debía ser dinámico, curvo.

Creación de la teoría

Una pregunta que inevitablemente surge es la de cómo llegó Einstein a crear semejante teoría. ¿Tan poderosa era su imaginación, que podía romper con toda la tradición física anterior?

La respuesta a esta cuestión es que, independientemente de su inmenso poder creativo, Einstein siguió un camino en cierto modo "obligado".

Pero antes de tratar de explicar cuál fue ese camino, es conveniente decir algo del hombre que había detrás de su ciencia, porque creaciones como la que Einstein produjo en 1915 no son como tesoros escondidos que están "ahí fuera", esperando que alguien los encuentre, sino que son productos de la mente, por mucho que ésta tenga que tomar en cuenta cómo se comporta realmente la naturaleza.

Y la mente de Einstein, durante la mayor parte del tiempo que estuvo dedicado a buscar una teoría relativista de la gravitación, vivió intensos periodos de agitación.

Por un lado, debía estar satisfecho: después de haber sido un paria de la comunidad científica, empleado de la Oficina de Patentes de Berna, donde trabajó desde 1902, seis días a la semana, ocho horas al día, hasta 1909, cuando consiguió su primer puesto académico, profesor asociado en la Universidad de Zúrich, al que siguió en 1911 una cátedra en la Universidad Alemana de Praga, y en 1912 otra en la Escuela Politécnica de Zúrich, en 1913 llegó a la cumbre de su profesión, miembro de la Academia Prusiana de Ciencias y catedrático sin obligaciones docentes en la Universidad de Berlín, donde se encontró a una buena parte de la crème de la crème de la física mundial.

Sin embargo, al regresar como catedrático a Zúrich, donde él y su esposa, Mileva Maric, habían estudiado y se habían conocido, la relación entre ambos se deterioró profundamente.

La dedicación absoluta de Einstein al problema de la gravedad, cuyas complicaciones no compartía en absoluto con Mileva, asociados a problemas de salud (reumatismo y depresión) de ésta, no la hacían feliz.

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