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por Jyotiraditya del Sitio Web Medium
traducción de
Adela Kaufmann
02 Noviembre 2018
ya sean ondas, partículas o cualquier cosa en medio, tienen propiedades que definen lo que son pero requieren una etapa en la cual interactúa y juega la historia del universo. Crédito de la imagen: usuario Maschende WikimediaCommons.
Cuando se trata de entender el Universo, hay algunas cosas de las que todos hemos oído hablar: Pero a pesar de estar presente durante más de 100 años, la Relatividad General (RG) - el mayor logro de Einstein - es en gran medida misteriosa para todos, desde el público en general hasta los estudiantes de pregrado y posgrado en física.
¿Podría algún día escribir una historia en la que explique a una
persona laica cuál es la métrica en la RG?
La física quántica podría ser relativamente nueva, ya que fue fundada en sobre todo en el siglo 20, pero la idea de que el universo estaba hecho de entidades indivisibles que interactúan entre sí se remonta a más de 2000 años, por lo menos a Demócrito de Abdera.
Pero sin importar de qué esté hecho el Universo, las cosas que lo componen necesitan una etapa para avanzar si van a interactuar.
ha sido reemplazada por la relatividad general de Einstein, pero se basa en el concepto de una acción instantánea (fuerza) a distancia.
Crédito de la imagen: usuario común de Wikimedia Dennis Nilsson.
El espacio en sí era una entidad fija, algo así como una cuadrícula cartesiana:
El tiempo siempre pasaba a la misma velocidad, y también era absoluto. Para cualquier observador, partícula, onda o cuanto en cualquier lugar, deben experimentar el espacio y el tiempo exactamente igual a los demás.
Pero hacia el final del siglo 19, estaba claro que la concepción de Newton era defectuosa.
Las partículas que se movieron cerca de la velocidad de la luz experimentaron el tiempo de manera diferente (se dilata) y el espacio de manera diferente (se contrae) en comparación con una partícula que se movía lentamente o en reposo.
La energía o el impulso de una partícula fue repentinamente dependiente del cuadro, lo que significa que el espacio y el tiempo no eran cantidades absolutas; la forma en que experimentaste el Universo dependía de tu movimiento a través de él.
para observadores que se mueven a diferentes velocidades relativas, pero esto se debe a la constancia de la velocidad de la luz. La ley de la relatividad especial de Einstein gobierna cómo se producen estas transformaciones de tiempo y distancia. Crédito de la imagen: John D. Norton
En 1907, el ex-profesor de Einstein, Hermann Minkowski, hizo un gran avance:
De un solo golpe, él había desarrollado el formalismo del espacio-tiempo.
Esto proporcionó un escenario para que las partículas se movieran a través del Universo (en relación unas con otras) e interactuaran unas con otras, pero no incluía la gravedad.
El
espacio-tiempo que él había desarrollado, todavía hoy conocido como
espacio Minkowski, describe toda la relatividad especial y también
proporciona el telón de fondo para la gran mayoría de los cálculos
de la teoría cuántica de campos que hacemos.
normalmente se realizan en espacios planos, pero la relatividad general va más allá de eso, para incluir el espacio curvo. Los cálculos de QFT son mucho más complejos allí.
Crédito de la imagen: SLAC National Accelerator Laboratory.
El espacio-tiempo sería simple, descurvado, y simplemente proporcionaría un escenario para que la materia se mueva e interactúe. La única forma en que alguna vez aceleraría sería a través de una interacción con otra partícula.
Pero en nuestro Universo, tenemos la fuerza gravitatoria, y fue el principio de equivalencia de Einstein lo que nos dijo que mientras no puedas ver lo que te está acelerando, la gravedad te trata igual que a cualquier otra aceleración.
una pelota cayendo al suelo en un cohete acelerado (izquierda) y en la Tierra (derecha) es una demostración del principio de equivalencia de Einstein. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons Markus Poessel,
retocado por Pbroks13.
La principal diferencia entre el espacio Minkowski de la relatividad especial y el espacio curvo que aparece en la relatividad general es el formalismo matemático conocido como el tensor métrico, a veces llamado el tensor métrico de Einstein o la métrica de Riemann.
Bernhard Riemann fue un matemático puro en el siglo 19 (y un antiguo alumno de Gauss, tal vez el más grande matemático de todos ellos), y le dio un formalismo de cómo cualquier campo, línea, arcos, distancia, etc., puede existir y estar bien definido en un espacio curvado arbitrariamente en cualquier número de dimensiones.
Le tomó a Einstein (y a varios colaboradores) casi una década hacer frente a las complejidades de las matemáticas, pero todo estaba dicho y hecho, tuvimos relatividad general:
como se ilustra para representar la relatividad general.
Crédito de la imagen: LIGO / T. Pyle.
Su curvatura depende de la materia, la energía y las tensiones presentes en ella; Los contenidos de tu Universo definen su curvatura del espacio-tiempo. De la misma manera, cómo se curva tu Universo te dice cómo la materia y la energía se moverán a través de él.
Nos gusta pensar que un objeto en movimiento continuará en movimiento:
Conceptualizamos eso como una línea recta, pero lo que el espacio curvo nos dice es que, en cambio, un objeto en movimiento que continúa en movimiento sigue una geodésica, que es una línea particularmente curva que corresponde a un movimiento sin aceleración.
Irónicamente, es una geodésica, no necesariamente una línea recta, que es la distancia más corta entre dos puntos.
Esto se muestra incluso en escalas cósmicas, donde el espacio-tiempo
se curva debido a que la presencia de masas extraordinarias pueden
curvar la luz de fondo desde atrás, a veces en múltiples imágenes.
de lentes gravitacionales, y la flexión de la luz de las estrellas debido a la masa. Crédito de la imagen: NASA / STScI
Pensamos que la gravedad se debe a las masas: las ubicaciones y magnitudes de las diferentes masas determinan la fuerza gravitacional. En la relatividad general, esto corresponde a la densidad de masa y contribuye, pero es uno de los 16 componentes del Tensor métrico.
También hay componentes de presión (como presión de radiación, presión de vacío o presiones creadas por partículas en movimiento rápido) que contribuyen, que son tres contribuyentes adicionales (uno para cada una de las tres direcciones espaciales) al Tensor métrico.
Y, finalmente, hay otros seis componentes que nos dicen cómo los volúmenes cambian y se deforman en presencia de masas y fuerzas de marea, junto con la forma en que las fuerzas distorsionan la forma de un cuerpo en movimiento.
Esto se aplica a todo, desde un planeta como la Tierra a una estrella de neutrones a una onda sin masa que se mueve a través del espacio:
a través del espacio-tiempo entre sí, causan la emisión de ondas gravitacionales: Ondas a través de la tela del espacio en sí. Estas ondas están matemáticamente codificadas en el tensor métrico. Crédito de la imagen: ESO / L. Calçada.
El tensor métrico puede ser una entidad 4 × 4, pero es simétrica, lo que significa que hay cuatro componentes "diagonales" (los componentes de densidad y presión) y seis componentes fuera de la diagonal (los componentes de volumen / deformación) que son independientes; los otros seis componentes fuera de la diagonal son únicamente determinados por simetría.
La métrica nos dice la relación entre toda la materia / energía en el Universo y la curvatura del espacio-tiempo.
De hecho, el poder único de la relatividad general nos dice que si supiera dónde estaba toda la materia / energía en el Universo y qué estaba haciendo en cualquier momento, podría determinar toda la historia evolutiva del Universo: pasado, presente y futuro. - por toda la eternidad.
Los cuatro posibles destinos del Universo, con el ejemplo de abajo ajustando mejor los datos: Un universo con energía oscura.
Crédito de la imagen: E. Siegel.
El descubrimiento del Universo en expansión, su surgimiento del Big Bang y la dominación de la energía oscura que conducirá a un destino frío y vacío, son solo comprensibles en el contexto de la relatividad general, y eso significa comprender esta relación clave:
El Universo es un juego, que se despliega cada vez que una partícula interactúa con otra, y el espacio-tiempo es el escenario en el que tiene lugar todo.
¿La
clave contra intuitiva que tienes que tener en cuenta? El escenario
no es un telón de fondo constante para todos, sino que también
evoluciona junto con el Universo mismo.
El Espacio-Tiempo le dice a la materia cómo moverse. La materia le dice al Espacio-Tiempo cómo curvarse.
En ciencia ficción, el espacio y las deformaciones del tiempo son un lugar común.
Son
utilizados para viajes rápidos alrededor de la galaxia o para viajar
en el tiempo. Pero la ciencia ficción de hoy, es a menudo el hecho
científico del mañana. ¿Cuáles son las posibilidades para las
deformaciones del espacio y el tiempo?
Consiste en el hecho de que los objetos están extrapuestos entre sí (al lado, al lado, debajo, arriba, dentro, detrás, delante, etc.) y tienen ciertas relaciones cuantitativas.
El orden de coexistencia de estos objetos y sus estados forma la estructura del espacio.
Los
fenómenos materiales se caracterizan por su duración, la secuencia
de las etapas de su movimiento, su desarrollo. Los procesos pueden
tener lugar simultáneamente, o preceder o suceder unos a otros.
"Uno, no olvides mirar las estrellas y no hacia abajo a tus pies. Dos, nunca te des por vencido con el trabajo. El trabajo te da significado y propósito y la vida es vacía sin él. Tres, si tienes la suerte de encontrar el amor, recuerda que está allí y no lo botes lejos de ti." Stephen Hawking
Tal, por ejemplo, es la interrelación entre el día y la noche.
La dimensión del tiempo se puede medir solo con la ayuda de ciertos estándares (en segundos, horas, días, años, siglos, etc.), es decir, movimientos que se aceptan como uniformes. La percepción del tiempo también nos permite evaluar la secuencia y la duración de los eventos.
Dependiendo de nuestras sensaciones subjetivas, como la alegría o el dolor, el placer o el aburrimiento, el tiempo parece corto o largo. El tiempo es una forma de coordinación de objetos y estados de la materia en su sucesión. Consiste en el hecho de que cada estado es un enlace consecutivo en un proceso y tiene ciertas relaciones cuantitativas con otros estados.
El
orden de sucesión de estos objetos y estados forma la estructura del
tiempo.
No solo los eventos del mundo externo, sino también todos los sentimientos y pensamientos tienen lugar en el espacio y el tiempo. En el mundo material todo tiene extensión y duración. El espacio y el tiempo tienen sus peculiaridades.
El espacio tiene tres dimensiones:
Es
inevitable, irrepetible e irreversible.
Los
procesos que se producen en ellos y condicionan su conservación
(reproducción) y, al mismo tiempo, su transformación, también se
diferencian: constituyen el cambio consecutivo de los estados de un
objeto.
Estamos tan indefensos como un trozo de madera en un río.
Así, la organización espacial de un cristal difiere de la de una rosa floreciente.
El momento de los eventos históricos ocurre, es experimentado por sus participantes y se conserva en la memoria de la humanidad y este tipo de tiempo difiere del tiempo puramente físico de, digamos, el movimiento de los cuerpos celestes.
Sin embargo, el pensamiento metafísico separa la materia del movimiento, y ambos, del espacio y el tiempo.
Newton, por ejemplo, asumió que el espacio era el contenedor vacío de las cosas, que era incorpóreo, absolutamente penetrable, nunca influyó en nada y nunca se vio afectado por ninguna influencia.
El espacio era supuestamente inmutable e inmóvil, sus atributos no dependían de nada, ni siquiera del tiempo; tampoco dependían de los cuerpos materiales o de su movimiento. Uno podría eliminar todos los cuerpos del espacio y el espacio todavía existiría y conservaría sus atributos.
Newton sostuvo las mismas opiniones sobre el tiempo.
Él creía que el tiempo fluía de la misma manera en todo el universo y este flujo no dependía de nada; Por lo tanto, el tiempo era absoluto. Como un río, fluyó por su propia cuenta, sin prestar atención a la existencia de procesos materiales.
La revisión de la imagen física del mundo cambió la visión del espacio y el tiempo.
El descubrimiento del campo electromagnético y la comprensión de que el campo no podía reducirse a un estado de entorno mecánico revelaron las fallas en la imagen clásica del mundo. Resultó que la materia no podía representarse como un conjunto de elementos separados, estrictamente disociados.
Las
partículas de materia están conectadas entre sí en sistemas
integrales por campos cuya acción se transmite a una velocidad
finita que es igual para cualquier sistema cerrado (la velocidad de
la luz en el vacío).
El espacio y el tiempo son absolutos. Pero como estas son formas de materia en movimiento, no son indiferentes a su contenido. Cuando se mueve, un objeto no deja una forma vacía detrás de él, el espacio no es un departamento que se le puede dejar a un inquilino tan importante, y el tiempo no se puede comparar con un monstruo que roe cosas y deja sus marcas de dientes ellos.
El espacio y el tiempo están condicionados por la materia, como una forma está condicionada por su contenido, y cada nivel del movimiento de la materia posee su estructura espacio-temporal.
Así, las células y organismos vivos, en los que la geometría se vuelve más compleja y cambia el ritmo del tiempo, poseen propiedades especiales de espacio-tiempo. Este es el tiempo biológico. También hay un tiempo histórico, cuya unidad puede ser el reemplazo de una generación por otra, que corresponde a un siglo.
Dependiendo de nuestras necesidades prácticas, el tiempo histórico
se cuenta en siglos y milenios. El punto de referencia puede ser
ciertos eventos histórico-culturales o incluso leyendas.
En nuestra vida cotidiana, nuestro trato con todo lo que nos rodea, encontramos objetos y procesos finitos.
Lo finito significa algo que tiene un fin, que está limitado en el espacio. En la práctica diaria, podemos decir por infinito cualquier cosa muy grande o muy pequeña, dependiendo de las circunstancias.
Por ejemplo, un billón elevado al poder de cien es en la práctica una cantidad infinita.
Nuestra experiencia es demasiado limitada para que podamos definir el infinito. A los científicos les gusta bromear que comienzan a entender el infinito solo cuando piensan en la locura humana. Uno puede lanzar una lanza desde un cierto punto en el espacio y desde el lugar donde aterriza se puede repetir el lanzamiento. Y uno puede seguir haciendo esto una y otra vez, sin llegar a ningún límite.
No importa cuán distante pueda estar una estrella de nosotros, podemos ir más lejos que esa estrella. El universo nunca es "abordado".
El infinito no puede ser atravesado hasta su fin. Tal infinito sería un infinito "falso". El verdadero infinito significa que constantemente está yendo más allá de los límites de lo finito. El universo no se da en ninguna forma de corte y secado, se reproduce constantemente; es una realidad que se recrea constantemente.
Lo infinito se manifiesta en lo finito y a través de lo finito. A través de lo finito llegamos a un entendimiento, un conocimiento de lo infinito. Lo finito es un momento en constante aparición y desaparición de un proceso infinito de cambio.
El cambio en general está asociado con un objeto que va más allá de sus límites espaciales, temporales, cuantitativos y cualitativos. El hecho mismo de la interacción de las cosas es constante y va más allá de los límites de la finita existencia individual.
En esta constante "ir más allá de uno mismo" hacia el ser externo, se encuentra la naturaleza infinita de lo finito.
Un objeto tiene innumerables relaciones con otros objetos. De este modo adquiere un número infinito de propiedades. Y en este sentido, el infinito implica diversidad cualitativa, realizada en el espacio y el tiempo.
Parece que nosotros mismos estamos parados a medio camino entre las infinitas extensiones del universo con sus mundos que conocemos o desconocemos, y las profundidades igualmente infinitas del mundo de las partículas más pequeñas de la materia, que es el intensivo infinito.
Somos el cruce, por así decirlo, de caminos que conducen a lo
infinitamente grande y lo infinitamente pequeño. Somos simples motas
de polvo en comparación con las estrellas y, al mismo tiempo, somos
gigantes en comparación con los diminutos microorganismos que
pululan en cada gota de agua.
Así, muchos físicos asumen la existencia de una cierta longitud básica: el cuanto espacial. Dijeron que sería tan inútil considerar una longitud más pequeña como considerar, por ejemplo, una cantidad de oro menor que un átomo, porque tal cantidad ni siquiera constituiría el elemento químico dado.
Entonces los científicos asumen la existencia de "átomos" del espacio.
De
esto se desprende el reconocimiento del tiempo mínimo, más allá de
cuyos límites el concepto de fase, es decir, los cambios de estado
en el tiempo, pierde todo significado.
Y, sin embargo, no hay motivos válidos para tales conclusiones.
La meta-galaxia en la que observamos este movimiento centrífugo de las galaxias, a pesar de su enorme tamaño como nos parece, es solo una pequeña partícula en el universo infinito, por lo que no se puede suponer que todo el universo se está "expandiendo".
Espacio-Tiempo Curvado
En resumen, todos los objetos y procesos en el mundo son finitos. Pero la totalidad de cosas y procesos finitos es infinita. El universo no tuvo principio, no tiene fin y es inagotable.
Más allá de los sistemas estelares más distantes que la ciencia y la tecnología modernas nos han permitido observar, todavía hay otros cuerpos celestes gigantescos. Y así sucesivamente hasta el infinito. No hay límites más allá de los cuales pueda haber algo que no pueda ser aceptado por el concepto de realidad objetiva y no hay nada por encima o fuera de él.
La realidad objetiva está en todo. Lo es todo...
El concepto de límite tiene significado solo cuando se aplica a lo finito. Ni nuestra imaginación atada a la distancia ni los astronautas del futuro pueden encontrar algún obstáculo sobrenatural, tal como la no existencia. Nunca se encontrarán con algo que difiera de la materia.
Sin importar cuánto tiempo pase antes de un evento, el tiempo continuará después. No importa cuánto tiempo hace que un determinado evento tuvo lugar, fue precedido por un sinnúmero de otros eventos. La cadena de eventos nunca se ha roto. Sus enlaces son innumerables.
En el universo en su conjunto no hay un punto inicial o culminante; El universo está igualmente abierto en ambos extremos. Si el tiempo fuera finito, el mundo debe haber tenido un comienzo.
Reconocer el comienzo de la existencia del mundo en el tiempo sería
reconocer la creación y, en consecuencia, un creador.
Alguien una vez comentó ingeniosamente que no podía imaginar que el
universo hubiera vivido su vida y tristemente vegetado por el resto
de la eternidad.
Por lo tanto, parece que puede haber una Agencia de Protección de la Cronología trabajando, haciendo que el mundo sea seguro para los historiadores.
Pero este tema de las deformaciones del espacio y el tiempo todavía está en su infancia. De acuerdo con la teoría de cuerdas, que es nuestra mejor esperanza de unir la relatividad general y la teoría cuántica en una teoría del todo, el espacio-tiempo debe tener diez dimensiones, no solo las cuatro que experimentamos.
La idea es que seis de estas diez dimensiones están enroscadas en un espacio tan pequeño que no las notamos.
Por otro lado, las cuatro direcciones restantes son bastante planas, y son lo que llamamos espacio-tiempo. Si esta imagen es correcta, podría ser posible arreglar que las cuatro direcciones planas se confundieran con las seis direcciones curvadas o torcidas.
A lo
que esto daría lugar, todavía no lo sabemos. Pero abre emocionantes
posibilidades.
Causarían grandes problemas lógicos, así que esperemos que haya una Ley de protección de cronología, para evitar que las personas regresen y maten a nuestros padres.
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