Espacio-tiempo
El espacio-tiempo es un modelo matemático que une el espacio y el tiempo en una sola idea llamada continuo. Este continuo de cuatro dimensiones se conoce como espacio de Minkowski.
La combinación de estas dos ideas ayudó a la cosmología a comprender cómo funciona el universo a gran escala (por ejemplo, las galaxias) y a pequeña escala (por ejemplo, los átomos).
En la mecánica clásica no relativista, el uso del espacio euclidiano en lugar del espacio-tiempo es bueno, porque el tiempo se trata como universal con una velocidad de paso constante que es independiente del estado de movimiento de un observador.
Pero en un universo relativista, el tiempo no puede separarse de las tres dimensiones del espacio. Esto se debe a que la velocidad observada del paso del tiempo depende de la velocidad de un objeto con respecto al observador. Además, la fuerza de cualquier campo gravitatorio ralentiza el paso del tiempo para un objeto visto por un observador fuera del campo.
Una ilustración de la curvatura del espacio-tiempo causada por la Tierra.
Otros aspectos
Allí donde existe la materia, ésta curva la geometría del espacio-tiempo. El resultado es una forma curvada del espacio-tiempo que puede entenderse como gravedad. Las líneas blancas de la imagen de la derecha representan el efecto de la masa en el espacio-tiempo.
En la mecánica clásica, el uso del espaciotiempo es opcional, ya que el tiempo es independiente del movimiento en las tres dimensiones del espacio euclidiano. Sin embargo, cuando un cuerpo se mueve a velocidades cercanas a la de la luz (velocidades relativistas), el tiempo no puede separarse de las tres dimensiones del espacio. El tiempo, desde el punto de vista de un observador inmóvil, depende de la proximidad de la velocidad de la luz a la que se mueve el objeto.
Analogía bidimensional de la distorsión del espacio-tiempo
Origen histórico
Mucha gente relaciona el espacio-tiempo con Albert Einstein, que propuso la relatividad especial en 1905. Sin embargo, fue el profesor de Einstein, Hermann Minkowski, quien sugirió el espacio-tiempo, en un ensayo de 1908. Su concepto de espacio de Minkowski es el primer tratamiento del espacio y el tiempo como dos aspectos de un todo unificado, que es la esencia de la relatividad especial. Esperaba que esta nueva idea aclarara la teoría de la relatividad especial.
El espacio-tiempo de Minkowski sólo es preciso para describir la velocidad constante. Sin embargo, fue Einstein quien descubrió la curvatura del espacio-tiempo (gravedad) en la relatividad general. En la relatividad general, Einstein generalizó el espacio-tiempo de Minkowski para incluir los efectos de la aceleración. Einstein descubrió que la curvatura en su representación del espacio-tiempo de 4 dimensiones era en realidad la causa de la gravedad.
La decimotercera edición de la Enciclopedia Británica de 1926 incluía un artículo de Einstein titulado "espacio-tiempo".
Antecedentes literarios
Edgar Allan Poe escribió un ensayo sobre cosmología titulado Eureka (1848) en el que decía que "el espacio y la duración son uno". Este es el primer caso conocido en el que se sugiere que el espacio y el tiempo son percepciones diferentes de una cosa. Poe llegó a esta conclusión tras unas 90 páginas de razonamiento, pero no empleó las matemáticas.
En 1895, H.G. Wells, en su novela La máquina del tiempo, escribió: "No hay ninguna diferencia entre el tiempo y cualquiera de las tres dimensiones del espacio, salvo que nuestra conciencia se mueve a lo largo de él". Y añadió: "Los científicos... saben muy bien que el Tiempo es sólo una especie de Espacio".
El espaciotiempo en la mecánica cuántica
En la relatividad general, el espaciotiempo se considera liso y continuo. Sin embargo, en la teoría de la mecánica cuántica, el espaciotiempo no siempre es continuo.
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Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el espacio-tiempo según el texto?
R: El espacio-tiempo es un modelo matemático que conecta el espacio y el tiempo, formando un continuo de cuatro dimensiones conocido como espacio de Minkowski.
P: ¿Cómo ha ayudado a la cosmología la combinación de espacio y tiempo?
R: La combinación de espacio y tiempo ha permitido a la cosmología comprender mejor cómo funciona el universo tanto a gran escala, como las galaxias, como a pequeña escala, como los átomos.
P: ¿Por qué es bueno utilizar el espacio euclidiano en lugar del espacio-tiempo en la mecánica clásica no relativista?
R: En la mecánica clásica no relativista, el uso del espacio euclidiano es bueno porque el tiempo se trata como universal con una velocidad de paso constante que es independiente del estado de movimiento de un observador.
P: ¿Por qué el tiempo es inseparable de las tres dimensiones del espacio en un universo relativista?
R: El tiempo no puede separarse de las tres dimensiones del espacio en un universo relativista porque la velocidad observada a la que transcurre el tiempo depende de la velocidad de un objeto con respecto al observador.
P: ¿Cómo afecta la fuerza de un campo gravitatorio al paso del tiempo de un objeto?
R: La fuerza de cualquier campo gravitatorio ralentiza el paso del tiempo para un objeto visto por un observador situado fuera del campo.
P: ¿Cómo se llama el continuo tetradimensional que une el espacio y el tiempo?
R: El continuo de cuatro dimensiones que une el espacio y el tiempo se denomina espacio de Minkowski.
P: ¿Cómo ha ayudado la combinación de espacio y tiempo a la cosmología a comprender el universo?
R: La combinación de espacio y tiempo ha ayudado a la cosmología a comprender mejor el funcionamiento del universo, tanto a gran escala, como las galaxias, como a pequeña escala, como los átomos.
