Continuidad espacio-tiempo
Adam MannColaborador de Ciencia en DirectoAdam Mann es un periodista freelance con más de una década de experiencia, especializado en reportajes sobre astronomía y física. Es licenciado en astrofísica por la Universidad de Berkeley. Su trabajo ha aparecido en el New Yorker, el New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science y muchos otros medios. Vive en Oakland, California, donde le gusta montar en bicicleta.
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Ya en la relatividad especial, los observadores en movimiento uno respecto al otro no estarán, en general, de acuerdo en si dos sucesos ocurren simultáneamente, o en cuán grande es la distancia entre dos objetos. Sin embargo, sí estarán de acuerdo en qué sucesos ocurren, aunque no en cuándo y dónde ocurren. Esta totalidad de todos los acontecimientos, independiente del observador, se denomina espaciotiempo. La división del espaciotiempo en espacio y tiempo puede variar de un observador a otro.
Estamos acostumbrados a la idea de un punto en el espacio: un objeto que sólo tiene una ubicación y que está completamente definido una vez que se dan sus coordenadas espaciales. En el espaciotiempo, un punto es un objeto completamente definido una vez que se han dado sus coordenadas espaciales y sus coordenadas temporales, lo que hace que un punto no sea más que un suceso elemental.
La idea de espaciotiempo es, además de su papel en la relatividad restringida, un componente básico de la relatividad general. De forma análoga a como un plano es plano, pero la superficie de una esfera es curva, en la relatividad general, las versiones curvas o distorsionadas del espaciotiempo simple y plano de la relatividad especial desempeñan un papel. En la relatividad general, la curvatura del espaciotiempo está íntimamente relacionada con la gravedad.
Teoría de la relatividad
Es un concepto hermoso. Permite explicaciones sucintas. ¿Cómo describir la órbita de la Tierra alrededor del Sol? Bueno, la materia del Sol distorsiona el espacio-tiempo como predecían las ecuaciones de Einstein, y la Tierra sigue el camino más corto posible a través de ese múltiple distorsionado.
Lo sé, lo sé, en realidad, la piedra está girando alrededor del eje de la Tierra a gran velocidad, y tanto la piedra como la Tierra están orbitando alrededor del Sol a gran velocidad, y la piedra, la Tierra y el Sol están orbitando alrededor de la galaxia a gran velocidad, y la piedra, la Tierra, el Sol y la galaxia están… bueno, ya te haces una idea.
Pero no puedes estropearme la demostración cambiando los marcos de referencia. En el marco de referencia de esta habitación, acabo de detener la piedra. Dame cualquier otro marco de referencia, y la cohetería apropiada, y podría parar la piedra en ese marco de referencia también.
Aquí hay otra cosa sobre los tensores en las ecuaciones de Einstein. No distinguen entre las tres dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo. Pero tampoco distinguen entre una dirección del tiempo hacia atrás y otra hacia delante.
Definición de espaciotiempo
En física, el espaciotiempo es un modelo matemático que combina las tres dimensiones del espacio y una dimensión del tiempo en un único colector de cuatro dimensiones. Los diagramas espaciotemporales pueden utilizarse para visualizar efectos relativistas, como por qué distintos observadores perciben de forma diferente dónde y cuándo ocurren los acontecimientos.
Hasta el siglo XX, se suponía que la geometría tridimensional del universo (su expresión espacial en términos de coordenadas, distancias y direcciones) era independiente del tiempo unidimensional. El físico Albert Einstein ayudó a desarrollar la idea del espaciotiempo como parte de su teoría de la relatividad. Antes de su trabajo pionero, los científicos tenían dos teorías distintas para explicar los fenómenos físicos: las leyes físicas de Isaac Newton describían el movimiento de los objetos masivos, mientras que los modelos electromagnéticos de James Clerk Maxwell explicaban las propiedades de la luz. Sin embargo, en 1905, Einstein basó su trabajo sobre la relatividad especial en dos postulados:
La consecuencia lógica de tomar estos postulados juntos es la unión inseparable de las cuatro dimensiones -hasta entonces asumidas como independientes- del espacio y el tiempo. Surgen muchas consecuencias contraintuitivas: además de ser independiente del movimiento de la fuente luminosa, la velocidad de la luz es constante independientemente del marco de referencia en el que se mida; las distancias e incluso el orden temporal de pares de sucesos cambian cuando se miden en marcos de referencia inerciales diferentes (esto es la relatividad de la simultaneidad); y la aditividad lineal de las velocidades deja de ser cierta.