Un diagrama de una fuerte curvatura del espacio-tiempo cerca del horizonte de eventos de un agujero negro. Cuanto más te acercas a un cuerpo masivo, más espacio se curva. Como resultado, se encuentra en un lugar del que ni siquiera la luz puede escapar: dentro del horizonte de eventos.
La mayoría de la gente, al pensar en el Universo, imagina objetos materiales ubicados a enormes distancias cósmicas entre sí. Bajo la influencia de su propia gravedad, la materia colapsa y forma estructuras cósmicas como las galaxias. Las nubes de gas, al colapsar, dan lugar a estrellas y planetas. Las estrellas emiten luz al quemar combustible en reacciones de fusión nuclear. Esta luz viaja por todo el universo, iluminando todo lo que se cruza. Sin embargo, el universo no se trata solo de objetos dentro de él. También está el tejido del espacio-tiempo, que juega según sus propias reglas, según las reglas de la teoría general de la relatividad (GR). El tejido del espacio-tiempo se curva en presencia de materia y energía, mientras que la propia curvatura del tejido del espacio-tiempo dicta cómo se mueven la materia y la energía. Pero lo que es, específicamente, el espacio-tiempo es algo "real",¿O simplemente una herramienta de cálculo? El lector nos pregunta sobre esto:
¿Qué es exactamente el espacio-tiempo? ¿Es algo real como los átomos, o es una construcción matemática utilizada para describir cómo la masa "genera" la gravedad?
Gran pregunta, y es bastante difícil pensar en el tema. Además, antes de la aparición de Einstein, nuestra comprensión del universo era muy diferente a la actual. Volvamos al pasado lejano del Universo, cuando aún no teníamos el concepto de espacio-tiempo, y avanzaremos hasta hoy.
En todas las escalas, desde macroscópicas hasta subatómicas, los tamaños de las partículas fundamentales juegan un papel pequeño en la determinación de los tamaños finales de las estructuras compuestas. Aún se desconoce si estos bloques de construcción de materia son partículas puntuales verdaderamente fundamentales. Sin embargo, entendemos la estructura del Universo desde gigantescas escalas cósmicas hasta diminutas escalas subatómicas. Por ejemplo, el cuerpo humano contiene aproximadamente 1028 átomos.
En un nivel fundamental, hemos sospechado durante mucho tiempo que si tomas cualquier objeto del Universo y comienzas a dividirlo en partes componentes cada vez más pequeñas, eventualmente puedes lograr algo indivisible. La palabra "átomo" significa literalmente "indivisible", del griego ἄτομος. La primera mención de esta idea ocurre hace 2400 años, en Demócrito... Sin embargo, es probable que la idea se haya inventado antes. Estas entidades indivisibles realmente existen, se las conoce como partículas cuánticas. A pesar de que hemos llamado átomos a los elementos de la tabla periódica, las partículas subatómicas: quarks, gluones y electrones (así como aquellas partículas que no se encuentran en los átomos) son verdaderamente indivisibles.
Todos estos cuantos se unen y forman todas las estructuras constituyentes del Universo que conocemos hoy en día, desde los protones y los átomos hasta las moléculas y las personas. Y todos estos cuantos, independientemente de su tipo, materia o antimateria, tengan masa o no, fundamental o compuesta, subatómica o cósmica, existen dentro del marco del mismo Universo que nosotros.
Si conoce todas las reglas que rigen el movimiento de un objeto en el espacio-tiempo, así como las condiciones iniciales y todas las fuerzas que actúan entre el objeto y el resto del sistema, puede predecir cómo se moverá a través del espacio y el tiempo. Pero la ubicación de un objeto no se puede especificar con precisión sin agregar una temporal a las coordenadas espaciales.
Y esto es importante, porque si quieres que todas las cosas en el Universo hagan algo entre sí (interactuar, conectarse, formar estructuras, transferir energía) necesitas tener una forma de hacer esto. Imagina una obra en la que todos los personajes están escritos, los actores están listos para interpretarlos, los disfraces están preparados, todas las líneas están escritas y aprendidas. Lo único que falta es algo muy importante: la escena.
¿Cuál es el papel de la escena en la física?
Antes de que apareciera Einstein, Newton preparó el escenario. Todos los "actores" del Universo podrían describirse mediante un conjunto de coordenadas: una ubicación en el espacio tridimensional y un momento en el tiempo. Era como una cuadrícula cartesiana: una estructura tridimensional con los ejes x, y y z, donde cada objeto puede tener un impulso que describe cómo se mueve a través del espacio en función del tiempo. El tiempo en sí mismo se consideró lineal, corriendo a una velocidad constante. En opinión de Newton, el espacio y el tiempo eran absolutos.
A menudo pensamos en el espacio como una red tridimensional, aunque esto es una simplificación excesiva que depende del marco de referencia. De hecho, el espacio-tiempo se curva en presencia de materia y energía, y las distancias en él no son fijas, sino que cambian con la expansión o contracción del universo.
Sin embargo, el descubrimiento de la radiactividad a finales del siglo XIX arrojó una sombra de duda sobre la imagen que Newton tenía del mundo. Al saber que los átomos pueden emitir partículas subatómicas que se mueven a la velocidad de la luz, nos dimos cuenta de algo sorprendente: cuando una partícula se mueve a una velocidad cercana a la de la luz, percibe el espacio y el tiempo de una manera completamente diferente a un objeto que se mueve lentamente o en descanso.
Las partículas inestables, que se descomponen muy rápidamente en reposo, vivían cuanto más tiempo, más cerca estaba su velocidad de la velocidad de la luz. Estas partículas viajaron distancias más largas de las que deberían, en función de su velocidad y vida útil. Y al tratar de calcular la energía o el momento de una partícula en movimiento, diferentes observadores (que se mueven a diferentes velocidades en relación con ella) recibieron valores no coincidentes.
Resulta que algo andaba mal con el concepto de espacio-tiempo de Newton. A velocidades cercanas a la velocidad de la luz, el tiempo se alarga, las distancias se contraen y la energía y el impulso dependen del marco de referencia. Es decir, su percepción del universo depende de cómo se mueva.
Un reloj de luz, en el que un protón se refleja en dos espejos, puede contar el tiempo para cualquier observador. Y aunque los dos observadores pueden estar en desacuerdo sobre cuánto tiempo ha pasado entre los dos momentos, pueden estar de acuerdo sobre las leyes de la física y las constantes del universo, en particular la velocidad de la luz. Para un observador estacionario, el tiempo transcurre como de costumbre, y para una persona que se mueve rápidamente, el reloj irá más lento que para una persona estacionaria.
Einstein es responsable de un avance notable en el concepto de realidad, que describió qué cantidades no cambian cuando el observador se mueve y cuáles dependen del marco de referencia. Por ejemplo, la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, al igual que la masa en reposo de cualquier cantidad de materia. Pero la distancia entre dos puntos depende en gran medida de su movimiento a lo largo de la línea que los conecta. La velocidad a la que funciona su reloj también depende de su movimiento.
El espacio y el tiempo resultaron no ser absolutos, como pensaba Newton, y fueron percibidos por diferentes observadores de diferentes maneras. Resultó ser relativo, por lo que la teoría se llama "teoría de la relatividad". Además, existe una conexión definida entre la percepción del espacio y el tiempo por parte de un determinado observador. Un par de años después de la publicación de Einstein de la teoría especial de la relatividad (STR), fue derivada por su antiguo profesor Hermann Minkowski. Dedujo una única estructura matemática que incluye el espacio y el tiempo: el espacio-tiempo. Como él mismo escribió:
A partir de ahora, el tiempo y el espacio en sí se convierten en una ficción vacía, y solo su unidad retiene una oportunidad para la realidad.
Hoy en día, este espacio-tiempo todavía se usa ampliamente, si se puede descuidar la gravedad: Espacio Minkowski .
Un cono de luz, una superficie tridimensional formada por todos los posibles rayos de luz que van y vienen de un punto en el espacio-tiempo. Cuanto más pasas en el espacio, menos pasas en el tiempo y viceversa. Hoy, solo puede ser influenciado por lo que había en el cono de luz del pasado. En el futuro, solo podrá percibir aquellas cosas que están contenidas en su futuro cono de luz. Esta es una ilustración de un espacio plano de Minkowski, no un espacio curvo de relatividad general.
Pero hay gravedad en el universo real. Esta fuerza no actúa instantáneamente a través de las vastas extensiones del espacio. Se propaga a la misma velocidad que todos los cuantos sin masa: a la velocidad de la luz. Todas las reglas formuladas en el SRT siguen siendo aplicables, pero para incluir la gravedad en la imagen se requería algo más: la idea de la presencia del espacio-tiempo de su propia curvatura, dependiendo de la presencia de materia y energía en él.
En cierto modo, es simple: si colocas a los actores en el escenario, el escenario debe poder soportar su peso. Si los actores son masivos y la escena no es perfectamente tosca, se deformará en su presencia.
El mismo fenómeno funciona con el espacio-tiempo: la presencia de materia y energía lo dobla, y esta curvatura afecta la distancia (espacio) y la velocidad del reloj (tiempo). Además, esta influencia resulta bastante compleja. Si calculamos la influencia de la materia y la energía en el espacio-tiempo, entonces los efectos espaciales y temporales están relacionados. Las líneas de la celosía tridimensional, que representamos en SRT, están curvadas en GRT.
La aparición de masa en una celosía tridimensional vacía hace que sus líneas se doblen de cierta manera. Parecen estirarse hacia la masa.
Se puede pensar en el espacio-tiempo como una herramienta puramente computacional y detenerse ahí. En matemáticas, incluso el espacio-tiempo se puede describir con un tensor métrico. Este formalismo le permite calcular, como cualquier campo, línea, arco, distancia, etc. puede existir en él de una manera determinada y descrita con precisión. El espacio puede ser plano o curvado arbitrariamente, finito o infinito, abierto o cerrado, y consta de cualquier número de dimensiones. En la relatividad general, el tensor métrico es tetradimensional (con tres dimensiones espaciales y una temporal), y la curvatura del espacio-tiempo está determinada por la materia, la energía y sus tensiones internas.
En pocas palabras, la curvatura del espacio-tiempo está determinada por el contenido del universo. Y luego puede tomar la curvatura del espacio-tiempo y predecir cómo cualquier pieza de materia y energía se moverá y cambiará con el tiempo. Las reglas de la relatividad general nos permiten predecir cómo la materia, la luz, la antimateria, los neutrinos e incluso las ondas gravitacionales se moverán a través del universo. Todas estas predicciones están en perfecto acuerdo con nuestras observaciones y mediciones.
La señal del evento GW190521 asociada con la aparición de ondas gravitacionales, registrada por tres detectores. La duración de la señal fue de aproximadamente 13 ms, pero representa la energía equivalente a convertir 8 masas solares en energía pura mediante la ecuación de Einstein E = mc 2 .
Lo que no medimos es el espacio-tiempo en sí. Podemos medir distancias e intervalos de tiempo, pero todos estos son sentidos indirectos del espacio-tiempo subyacente. Podemos medir todo lo que interactúa con nosotros - cuerpos, instrumentos, detectores - sin embargo, la interacción ocurre solo cuando hay dos objetos en el mismo punto en el espacio-tiempo, cuando se registra un "evento" cuando se encuentran.
Podemos medir todos los efectos que tiene el espacio-tiempo curvo sobre la materia y la energía del universo, a saber:
- Desplazamiento al rojo por radiación generado por la expansión del Universo;
- Flexión de la luz debido a la presencia de masas en primer plano;
- Arrastre de marcos de referencia inerciales en presencia de un cuerpo giratorio;
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Y también muchas otras influencias. Sin embargo, del hecho de que solo podemos medir el efecto del espacio-tiempo sobre la materia y la energía del Universo, pero no el espacio-tiempo en sí, se deduce que el espacio-tiempo se comporta de una manera indistinguible de una simple herramienta de cálculo.
La gravedad cuántica intenta combinar la relatividad general de Einstein con la mecánica cuántica. Las correcciones cuánticas para la gravedad clásica se indican en forma de diagramas de bucle, como el que se muestra en la figura en blanco. Si el modelo estándar se expande para incluir la gravedad, la simetría que describe el CPT (simetría de Lorentz) solo puede volverse aproximada y sus violaciones pueden aparecer. Sin embargo, hasta ahora no se han observado tales violaciones en experimentos.
Pero esto no significa que el espacio-tiempo no sea una entidad física real. Al observar a los actores interpretando una obra, tienes derecho a llamar al lugar donde se desarrolla la obra un "escenario", ya sea un campo, una plataforma, un suelo desnudo, etc. Incluso si la obra se realizara en la ingravidez del espacio, simplemente podría notar que un marco de referencia en caída libre se usa como escena.
En el Universo físico, hasta donde sabemos, la existencia de objetos y la interacción entre ellos es imposible sin el espacio-tiempo. Donde hay espacio-tiempo, las leyes de la física funcionan y hay campos cuánticos fundamentales que subyacen a todo. En cierto sentido, "nada" es un vacío de espacio-tiempo vacío, y hablar de lo que sucede en ausencia de espacio-tiempo no tiene sentido, al menos desde el punto de vista de la física. No tiene sentido hablar de "dónde", que se encuentra fuera de los límites del espacio, y "cuándo", que está más allá de los límites del tiempo. Quizás exista algo así, pero no tenemos conceptos físicos de esta entidad.
Animación de la interacción del espacio-tiempo con la masa que lo atraviesa. Se puede ver en él que el espacio-tiempo no es solo una especie de tejido. Todo el espacio tridimensional se curva en presencia de masa y energía. Varias masas que giran unas alrededor de otras generan ondas gravitacionales.
Lo más interesante es que todavía tenemos muchas preguntas sin respuesta sobre la naturaleza del espacio-tiempo. ¿Son el espacio y el tiempo cuánticos y discretos, divididos en regiones invisibles o son continuos? ¿Es la gravedad una interacción cuántica, como todas las demás fuerzas conocidas, o es una red clásica y continua que se extiende hasta las escalas de Planck?? Si el espacio-tiempo difiere de lo que nos dice la relatividad general, entonces ¿exactamente cómo y cómo podemos detectarlo?
Pero, a pesar de todo lo que el espacio-tiempo nos permite predecir y conocer, no es la misma entidad real que el átomo. De alguna manera es imposible "detectar" directamente el espacio-tiempo; solo puede detectar cuantos individuales de materia y energía que existen en su espacio-tiempo. Describimos el espacio-tiempo en la forma de la relatividad general de Einstein, y predice y explica con éxito todos los fenómenos físicos que hemos descubierto y medido. Sin embargo, la cuestión de qué es y si es real o no, permanece abierta para la ciencia moderna.