¿Qué es el espacio-tiempo en términos simples?

Aquí está la respuesta pegada de mi libro (ver quantum-field-theory.net):

El más desafiante y no intuitivo de todos los conceptos en la teoría general de la relatividad es la idea de que el tiempo es parte del espacio … Nuestros cerebros solo pueden llevarnos tan lejos porque es casi imposible imaginar una dimensión que comprenda tres partes del espacio para una parte de tiempo, todo entretejido como los hilos en una tela a cuadros. – B. Bryson ( B2003 , p. 125-126)

Por supuesto, el espacio-tiempo es de cuatro dimensiones en el sentido trivial de que se necesitan cuatro números para especificar cuándo y dónde tiene lugar un evento, pero eso no significa que el espacio y el tiempo sean equivalentes. En QFT, como en la teoría de Einstein, el espacio y el tiempo juegan roles separados de acuerdo con nuestras percepciones naturales.

El matemático alemán Hermann Minkowski introdujo la idea de que el espacio-tiempo debe ser visto como una entidad tetradimensional. En un discurso en Colonia en 1908, expresó esta opinión con gran elocuencia:

De ahora en adelante, el espacio en sí mismo y el tiempo en sí mismo están condenados a desvanecerse en meras sombras, y solo una especie de unión de los dos preservará una realidad independiente … Es solo en cuatro dimensiones que las relaciones aquí tomadas en consideración revelan su ser interior. con total simplicidad, y que en un espacio tridimensional que se nos imponía a priori solo proyectaban una proyección muy complicada. – H. Minkowski ( E1923, p. 75 , 90)

Einstein, sin embargo, no se suscribió a esa opinión; lo llamó “erudición superflua”. Al adaptar el formalismo matemático de Minkowski para describir el campo gravitacional, Einstein tuvo que agregar el número “imaginario” i al término de tiempo. Esto hace que las ecuaciones sean más compactas y fáciles de trabajar, pero Einstein tuvo cuidado de distinguir el aspecto formal de la notación de la realidad (énfasis agregado):

El descubrimiento de Minkowski … fue importante para el desarrollo formal de la teoría de la relatividad … El continuo espacio-temporal de cuatro dimensiones de la teoría de la relatividad, en sus propiedades formales más esenciales , muestra una relación pronunciada con el continuo tridimensional de Espacio geométrico euclidiano … En estas condiciones, las leyes naturales … asumen formas matemáticas en las que la coordenada del tiempo juega exactamente el mismo papel que las tres coordenadas espaciales. – A. Einstein ( E1961, p. 63 )

Einstein dice que la notación de cuatro dimensiones es útil para los físicos; Es una forma conveniente de manejar la relación matemática entre la evolución espacial y la evolución temporal que requiere la relatividad especial. Casi se podría decir que los físicos no podrían vivir sin él. Sin embargo, el espacio y el tiempo son diferentes, y digo vergüenza para aquellos que intentan forzar y forzar el concepto de cuatro dimensiones al público como esencial para la comprensión de la teoría de la relatividad.

La gravedad es una fuerza. Sin embargo, se ha caracterizado popularmente como espacio-tiempo curvo. Esto no está destinado a ser tomado literalmente.

La masa da lugar a la fuerza gravitacional, pero todavía no se comprende cómo ocurre esto.

La relatividad especial probablemente condujo a la caracterización del tiempo como una cuarta dimensión, pero en realidad el espacio / tiempo es solo una forma conveniente de describir una región del espacio junto con su campo gravitacional local.