¡Eres afortunado de haber hecho una pregunta que podría permitir un vistazo a la mente creativa de Albert Einstein!
Comencemos con el espacio, luego pasemos al espacio-tiempo. Solo hay 3 dimensiones de espacio. Puede verlos mirando en su cajón vacío o en cualquier caja vacía: largo, ancho y alto, las direcciones cartesianas x, y, z. En contraste, hay 4 dimensiones del espacio-tiempo según lo definido por Einstein en su artículo de 1905 que marcó el comienzo de su teoría de la relatividad especial, Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento.
En ese artículo, Einstein imaginó una onda de luz esférica que se extendía en todas las direcciones desde un punto central para formar una esfera de luz que yo llamo la esfera de luz de Einstein: ELS. Hasta donde sé, no encontrarás ese nombre en ninguna parte, excepto en un documento que envié recientemente al concurso de ensayos de los Premios Gravitacionales 2018, pero ciertamente encontrarás el concepto fácilmente si lo buscas. Seminario Einstein.
- ¿Cómo se ve el espacio-tiempo?
- Si una geodésica es una 'línea recta' en el espacio curvo, entonces, ¿cómo sería / se vería una línea curva en el espacio curvo?
- Todo el espacio se creó a la vez, y el tiempo es una dimensión del espacio-tiempo. ¿Significa que el futuro ya existe?
- Si estuviéramos en la 5ª dimensión, ¿cómo viajaríamos a través del tiempo y cómo se representaría el tiempo?
- ¿De qué están hechos el espacio y el tiempo?
De todos modos, aquí está la cosa genial (alucinante) que Einstein hizo con su ELS que creó una comprensión del espacio-tiempo. Se imaginó 3 rayos de luz desde el centro hasta el borde de la esfera a lo largo de las direcciones cartesianas x, y, z en ángulo recto entre sí. Luego, en un paso adicional que cambiaría para siempre la física, imaginó un cuarto rayo desde el centro hasta el borde definido por la distancia que viaja un fotón a la velocidad de la luz, c, en una unidad de tiempo, t.
La velocidad multiplicada por el tiempo es igual a la distancia (o longitud), por lo que ct es tan larga como cualquier longitud x, y, z. De hecho, incluso se puede decir que, debido a que la esfera de luz está hecha de luz, todas las mediciones son expresiones de ct [mi interpretación, no la de Einstein]. En cualquier caso, al combinar la velocidad de la luz y el tiempo con las dimensiones x, y, z, Einstein nos dio el concepto de “espacio-tiempo”, en lugar de ese espacio separado + tiempo.
Pero, ¿por qué el tiempo de Einstein no está separado del espacio? Una manera fácil de responder eso es imaginar qué le sucede al ELS si el componente de tiempo de ct se reduce o crece. Obviamente, todas las dimensiones espaciales (x, y, z) también se reducirían o crecerían como lo hace ct. “Todos para uno y uno para todos”, como dirían los tres mosqueteros, excepto que tenemos cuatro mosqueteros aquí.
Sin embargo, no tenemos que conformarnos con este simple ejemplo de cómo el espacio-tiempo se mantiene unido, porque Einstein más tarde nos dio una forma de medir eventos en el espacio-tiempo haciendo ct la hipotenusa de un triángulo rectángulo de cuatro dimensiones y asignando x, y, z hacia los otros lados para que, según el teorema de Pitágoras, tengamos la hipotenusa como la suma del cuadrado de los otros tres lados de modo que
(ct) ^ 2 = x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2
¡Esta ecuación, y sus múltiples aplicaciones, forman la columna vertebral de la relatividad especial y general según Einstein! (referencia en mi artículo). El cálculo simple mostrará que las otras patas deben cambiar cuando cambia la hipotenusa.
¡Antes de cerrar debo advertirte sobre algo! A veces puede ver intentos engañosos de explicar el espacio-tiempo en libros de física escritos para el público en general, incluso por físicos eruditos que dicen algo como esto:
Miras en el cajón de tu tocador un día, ves las dimensiones x, y, z en un día y hora determinados, luego vuelves a mirar unos días más tarde. Estos son diferentes “eventos” con las mismas dimensiones espaciales pero diferentes medidas de tiempo. ¡Que no te engañen! Esto, mis amigos, no es espacio-tiempo, sino simplemente espacio + tiempo en dos días diferentes. No se parece en nada a la unión completa en la que el espacio y el tiempo actúan juntos como una cosa: el espacio-tiempo.
La forma en que Einstein mostró esto es fascinante, pero no recuerdo haberlo visto descrito simplemente para no físicos, ¡así que aquí está mi intento de hacerlo!
