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por Nola Taylor Redd
31 Diciembre 2015
del Sitio Web Space
traducción de
Adela Kaufmann
Versión
original en ingles
Un objeto masivo como la Tierra doblará el espacio-tiempo,
y hará que los objetos caigan hacia ella.
Crédito: Ciencia @ NASA
Al dar las coordenadas de un lugar, la mayoría de las personas
proporcionan la latitud, longitud y altitud quizá. Pero
hay una cuarta dimensión a menudo descuidada: el tiempo.
La combinación de las coordenadas físicas con el elemento temporal
crea un concepto conocido como el espacio-tiempo, un fondo para
todos los eventos en el universo.
"En la física, el espacio-tiempo es el modelo matemático que combina
el espacio y el tiempo en
un solo continuo entretejido en todo el universo," Eric Davis,
un físico que trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados de Austin y
con la Fundación Tau Cero, le dijo a Space.com por correo
electrónico.
Eric Davis se
especializa en la física del espacio-tiempo más rápida que la luz y
la física anti-gravedad, ya que ambos utilizan ecuaciones de la
relatividad general de Albert Einstein y la teoría de los campos
cuánticos, así como la óptica cuántica, para llevar a cabo
experimentos de laboratorio.
"La teoría especial de la relatividad de Einstein, publicada en
1905, adaptó el modelo del universo del espacio-tiempo
unificados de Hermann Minkowski para mostrar que el tiempo debe
ser tratado como una dimensión física a la par de las tres
dimensiones físicas del espacio - Altura , anchura y longitud -
que experimentamos en nuestras vidas ", dijo Davis.
"El espacio-tiempo es el paisaje sobre el que los fenómenos
tienen lugar", agregó Luca Amendola, un miembro del Grupo de
Trabajo de la Teoría Euclid (un equipo de científicos teóricos
que trabajan con satélite Euclid de la Agencia Espacial Europea)
y profesor de la Universidad de Heidelberg en Alemania.
"Al igual que cualquier paisaje no está escrito en piedra,
fijado para siempre, cambia sólo porque las cosas suceden - los
planetas se mueven, las partículas interactúan, las células se
reproducen", dijo a Space.com por correo electrónico.
1.
12 Cosas que hay que saber acerca de la RELATIVIDAD.
Las teorías de Einstein sobre la relatividad
revolucionaron la forma en que el mundo piensa
acerca del espacio, masa, energía y gravedad
Antes de Einstein, las leyes de Isaac Newton eran
utilizadas para entender la física del movimiento.
En 1687, Newton escribió que la gravedad afecta todo
en el universo. La misma fuerza de gravedad que
halaba una manzana hacia abajo del árbol mantenía a
la Tierra en movimiento alrededor del sol.
Pero Newton nunca resolvió el enigma de la fuente de
gravedad.
2.
El ‘Tratado de la Naturaleza Humana’ del filósofo
David Hume tuvo muchísima influencia en el
pensamiento de Einstein acerca del espacio y el
tiempo.
Hume era un empírico y un escéptico, creía que los
conceptos científicos debían estar basados en
experiencia y evidencia, no sólo en la razón.
Él también sostuvo el tiempo no existía
separadamente del movimiento de los objetos.
“Es muy posible que sin éstos estudios
filosóficos yo no hubiera llegado a la
solución,” escribió Einstein
3.
En 1905, Albert Einstein basó una nueva teoría en
dos principios. Primero, las leyes de la física
parecen igual a todos los observadores.
Segundo, él calculó que la velocidad de la luz .
186,000 millas por segundo (299,338 kilómetros por
segundo . no cambia.
Antes de Einstein, los científicos creían que el
espacio estaba lleno con éter luminoso que causaba
que la luz de la luz cambiara dependiendo del
movimiento relativo de la fuente y el observador.
4.
Como resultado de estos principios, Einstein dedujo
que no hay marco fijo de referencia en el universo.
Todo está en relativo movimiento a todo lo demás, De
allí la teoría de la relatividad de Einstein.
Es conocida como relatividad especial porque aplica
sólo a casos especiales: marcos de referencia en el
constante inmutable movimiento.
En 1915, Einstein publicó la teoría general de la
relatividad, que aplica a marcos que se aceleran
respecto a unos a otros.
5.
El tiempo no pasa en la misma proporción para
todos. Un observador de rápido movimiento mide el
tiempo pasando más lentamente de lo que pasaría para
un observador estacionario (relativamente).
Este fenómeno es llamado dilatación del tiempo. En
esta visualización, el reloj en movimiento funciona
más lentamente que el reloj estacionario.
6.
Un objeto en movimiento rápido parece más corto en
relación a uno moviéndose lentamente. Este efecto
es muy sutil hasta que el objeto viaja a una
velocidad cercana a la de la luz.
7.
Masa y energía son distintas manifestaciones de la
misma famosa ecuación de Einstein, E = mc2
significa que una cantidad de energía es equivalente
a una cantidad de tiempo de masa de la velocidad luz
al cuadrado.
Esto es lo que permite la liberación de una enorme
cantidad de energía en una explosión nuclear.
8.
Como un resultado de E = mc2, un objeto
de rápido movimiento parece tener mayor masa en
relación con una lento-mudanza.
Esto es debido a que aumenta la velocidad de un
objeto aumenta su energía cinética y, por lo tanto,
es la masivo (desde masa = energía).
9.
El aumento de la masa es la razón por la cual
Einstein dice que la materia no puede viajar más
rápido que la luz. La masa aumenta con la velocidad
hasta que la masa se hace infinita cuando alcanza la
velocidad de la luz.
Una masa infinita requeriría energía infinita para
moverse, así que esto es imposible.
10.
El espacio y el tiempo son parte de un continuo
llamado espacio-tiempo. En las matemáticas de
Einstein, el espacio tiene tres dimensiones y la
cuarta dimensión es el tiempo. Teorías más recientes
suponen dimensiones adicionales que nosotros no
percibimos.
El Espacio-tiempo puede ser considerado como una
rejilla o tela. La presencia de masa deforma el
espacio-tiempo. La presencia de masa distorsiona el
espacio-tiempo, por lo que el modelo de hoja de
caucho es una visualización popular.
11.
La relatividad explica de dónde viene la gravedad. El modelo de la hoja de goma muestra que la
gravedad resulta de objetos masivos doblando el
espacio-tiempo.
El doblado es llamado pozo-de-gravedad.
Los objetos orbitantes siguen el camino que es más
corto y que requiere la menor cantidad de energía.
Los planetas se mueven en elíptica, la ruta más
eficiente de energía en el pozo de gravedad del sol.
12.
La Gravedad dobla la luz. Este fenómeno es llamado
lente gravitacional.
Cuando observamos una galaxia distante, la gravedad
de la materia entre la tierra y la galaxia hace que
los rayos de luz se doblen en caminos diferentes.
Cuando la luz alcanza el telescopio, aparecen
múltiples imágenes de la misma galaxia.
La historia del espacio-tiempo
La idea de que el tiempo y el espacio están unidos es un desarrollo
relativamente reciente en la historia de la ciencia.
"Los conceptos de espacio se mantuvieron prácticamente lo mismo
desde los primeros filósofos griegos hasta el comienzo del siglo
20 - una etapa inmutable sobre el cual la materia se mueve",
dijo Amendola.
"El tiempo se suponía que era aún más inmutable, ya que,
mientras uno se podía mover en el espacio a su gusto, usted no
puede viajar en el tiempo libremente, ya que corre igual para
todo el mundo."
A principios de 1900, Hermann
Minkowski construyó
sobre las obras tempranas del físico holandés Hendrik
Lorentz y dell
matemático y físico teórico francés Henri
Poincaré para crear
un modelo
unificado del espacio-tiempo.
Einstein, un estudiante de Minkowski, adaptó el modelo de Minkowski
cuando publicó su teoría de la relatividad en 1905.
"Einstein había reunido los trabajos teóricos independientes de
Poincaré, los trabajos teóricos independientes de Lorentz y de
Minkowski a su teoría general de la relatividad especial, que
era mucho más amplio y profundo en su tratamiento de las fuerzas
electromagnéticas y movimiento, salvo que dejase fuera la fuerza
de la gravedad, que Einstein más tarde abordó en su obra magna
de la teoría general de la relatividad", dijo Davis.
Avances del espacio-tiempo
En la relatividad especial, la geometría del espacio-tiempo es fija,
pero los observadores miden diferentes distancias o intervalos de
tiempo de acuerdo a su propia velocidad relativa.
En la relatividad general, la geometría del espacio-tiempo cambia
dependiendo de cómo la materia se mueve y es distribuida.
"La teoría general de la relatividad de Einstein es el primer
avance teórico importante que resultó del modelo de
espacio-tiempo unificado", dijo Davis.
La relatividad general llevó a la ciencia de la cosmología, el
siguiente gran avance que llegó gracias al concepto de
espacio-tiempo unificado.
"Es debido al modelo unificado del espacio-tiempo que podemos
tener una teoría para la creación
y existencia de nuestro universo, y
seremos capaces de estudiar todas las consecuencias que se
derivan del mismo", dijo Davis.
Explicó que la relatividad general predice fenómenos como los
agujeros negros y
agujeros blancos.
También predice que tienen un horizonte de sucesos, la frontera que
marca en la que nada puede escapar, y el punto de singularidades en
su centro, un punto unidimensional donde la gravedad se hace
infinita.
La relatividad general también podría explicar la rotación de los
cuerpos astronómicos que arrastran el espacio-tiempo con ellos, el
Big Bang y la expansión inflacionaria del universo, las
ondas de gravedad, el
tiempo y la dilatación del espacio asociado con espacio-tiempo
curvo, la lente
gravitacional causada
por galaxias masivas, y la órbita cambiante de Mercurio y otros
cuerpos planetarios, todo lo que la ciencia ha demostrado cierto.
También predice cosas como propulsiones de impulso-de-envoltura y agujeros
de gusano desplazables y máquinas del tiempo.
"Todos estos fenómenos se basan en el modelo de espacio-tiempo
unificado", dijo, "y la mayoría de ellos han sido observados."
Una mejora
de la
comprensión del espacio-tiempo también condujo a la teoría de los
campos cuánticos.
Cuando la
mecánica cuántica, la
rama de la teoría de trata con el movimiento de los átomos y los
fotones, fue publicada por primera vez en 1925, estaba basada en la
idea de que el espacio y el tiempo eran separados e independientes.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los físicos teóricos han
encontrado una manera de incorporar matemáticamente la teoría
especial de la relatividad de Einstein en la mecánica cuántica,
dando a luz a la teoría de los campos cuánticos.
"Los avances que resultaron de la teoría cuántica de campos son
tremendas", dijo Davis.
La teoría dio lugar a una teoría cuántica de la radiación
electromagnética y las partículas elementales cargadas
eléctricamente - llamada teoría de la electrodinámica cuántica
(teoría QED) - alrededor de 1950.
En la década de 1970, la teoría QED se unificó con la débil teoría
de la fuerza nuclear para producir la teoría electro-débil, que las
describe tanto como diferentes aspectos de la misma fuerza. En
1973, los científicos obtuvieron la teoría cuántica cromodinámica (teoría
de la QCD), la teoría de la fuerte fuerza nuclear de los quarks y
los gluones, que son partículas elementales.
En los años 1980 y la década de 1990, los físicos unen la teoría QED,
la teoría de la cromodinámica cuántica y la teoría electrodébil para
formular el modelo
estándar de la física de partículas, la
mega teoría que describe todas las partículas elementales conocidas
de la naturaleza y las fuerzas fundamentales de sus interacciones.
Más tarde, la predicción de Peter
Higgs en1960 de una
partícula ahora conocida como el
bosón de Higgs, que
fue descubierta en 2012 por el
Gran Colisionador de Hadrones del CERN fue
añadido a la mezcla.
Los avances experimentales incluyen el descubrimiento de muchas de
las partículas elementales y sus fuerzas de interacción conocidas
hoy en día, dijo Davis. También
incluyen la promoción de la teoría de la materia condensada para
predecir dos nuevos estados de la materia más allá de las que se
enseñan en la mayoría de los libros de texto.
Más estados de la materia están siendo descubiertos mediante la
teoría de la materia condensada, que
utiliza la teoría cuántica de campos como su maquinaria matemática.
"Materia condensada tiene que ver con los estados exóticos de la
materia, tales como los que se encuentran en el vidrio metálico,
cristales fotónicos, metamateriales, nanomateriales,
semiconductores, cristales, cristales líquidos, aisladores,
conductores, superconductores, fluidos superconductores, etc.",
dijo Davis .
"Todo esto se basa en el modelo de espacio-tiempo unificado."
El futuro del espacio-tiempo
Los científicos continúan mejorando su comprensión del
espacio-tiempo mediante el uso de las misiones y los experimentos
que observan muchos de los fenómenos con los que interactúan.
El Telescopio
Espacial Hubble, el
cual mide la expansión acelerada del universo, es uno de los
instrumentos para hacerlo. La
misión de la Gravity Probe B
de la NASA que se lanzó
en 2004, estudió la torsión del espacio-tiempo por un cuerpo en
rotación - la Tierra.
La misión NuSTAR
de la NASA lanzada en 2012, estudia los agujeros
negros.
Muchos otros telescopios y misiones también han ayudado a estudiar
estos fenómenos.
En la planta, los aceleradores de partículas han estudiado
partículas en rápido movimiento durante décadas.
"Una de las mejores confirmaciones de la relatividad especial
son las observaciones que las partículas, que deberían decaer
después de un tiempo dado, toman, de hecho, mucho más tiempo
cuando viajan muy
rápido, como, por ejemplo, en los aceleradores de partículas",
dijo Amendola.
"Esto se debe a que los intervalos de tiempo son más largos
cuando la velocidad relativa es muy grande."
Futuras misiones y experimentos continuarán sondeando el
espacio-tiempo también.
La Agencia Espacial
Europea y la NASA vía
satélite Euclid, a
lanzarse en 2020, seguirán probando las ideas a escalas
astronómicas, mientras mapean la geometría de la energía oscura y la
materia oscura, las misteriosas sustancias que componen la mayor
parte del universo.
En la planta, los obseratorios LIGO y VIRGO
continúan estudiando las ondas gravitacionales, ondulaciones en la
curvatura del espacio-tiempo.
"Si pudiéramos manejar los agujeros negros de la misma manera en
que manejamos las partículas en los aceleradores, aprenderíamos
mucho más sobre el espacio-tiempo", dijo Amendola.
La fusión de agujeros negros crea ondulaciones en el espacio-tiempo
en el concepto de este artista.
Los experimentos están en busca de estas ondas,
conocidas como ondas gravitacionales,
pero ninguna ha sido detectada.
Crédito: Swinburne Astronomy Producciones
Entendiendo el espacio-tiempo
¿Conseguirán los científicos alguna vez un entendimiento en la
compleja cuestión del espacio-tiempo?
Eso depende de exactamente lo que usted quiera decir.
"Los físicos tienen una excelente comprensión del concepto de
espacio-tiempo en los niveles clásicos proporcionadas por dos
teorías de la relatividad de Einstein, con su teoría de la
relatividad general siendo la obra magna de la teoría del
espacio-tiempo", dijo Davis.
"Sin embargo, los físicos no tienen todavía una idea sobre la
naturaleza cuántica del espacio-tiempo y la gravedad."
Luca Amendola estuvo
de acuerdo, señalando que si bien los científicos entienden el
espacio-tiempo a través de distancias más grandes, el mundo
microscópico de las partículas elementales queda menos claro.
"Podría ser que el espacio-tiempo a distancias muy cortas toma
otra forma y tal vez no es continuo",
dijo Amendola. "Sin
embargo, todavía estamos muy lejos de esa frontera"
Los físicos de hoy no pueden experimentar con los agujeros negros o
alcanzar las altas energías en la que se espera que los nuevos
fenómenos se produzcan.
Incluso las observaciones astronómicas de los agujeros negros siguen
siendo insatisfactorias debido a la dificultad de estudiar algo que
absorbe toda la luz, dijo Amendola. Los
científicos deben utilizar en su lugar sondas indirectas.
"Entender la naturaleza cuántica del espacio-tiempo es el santo
grial de la física del siglo 21", dijo Davis. "Estamos
atrapados en un atolladero de múltiples teorías nuevas
propuestas que no parece funcionar para resolver este problema."
Amendola se mantuvo optimista.
"Nada nos está frenando", dijo. "Es
sólo que se necesita tiempo para entender el espacio-tiempo."
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