¿Las dimensiones son entidades físicas reales que pueden doblarse, deformarse, curvarse, estirarse y moverse en física y relatividad general?

OK, vamos al tema real aquí. Sé que algunos físicos se indignarán con mi respuesta, pero aquí está.

No, las dimensiones no son entidades físicas reales.

Toda nuestra comprensión del mundo natural se basa en modelos matemáticos que intentan explicar y predecir fenómenos observables. Los mejores modelos matemáticos de gravedad actuales, por ejemplo, se basan en construcciones de espacios vectoriales, que incluyen el uso de dimensiones. Tanto los modelos de gravedad newtonianos como los de Einstein pueden describirse utilizando las matemáticas de la geodésica en una variedad, que es una estructura topológica que tiene una dimensión finita.

Simplifiquemos esto un poco. Si te digo “John fue a la tienda”, ¿eso es equivalente a la acción de John de ir a la tienda? No, claramente no. Es un método (usando el lenguaje) para explicar un fenómeno que observé y deseo transmitirle.

Los modelos matemáticos en física hacen lo mismo: permiten conversaciones sobre el mundo natural que tienen significados claros, concisos y universalmente aceptados.

Los modelos físicos no son reales. Son aproximaciones matemáticas a los fenómenos físicos observados.

Debes entender que cuando hablamos de las dimensiones que se curvan entre sí, se trata realmente del comportamiento predictivo de los caminos de partículas sin masa como los fotones, cerca de una fuente de energía de masa.

Comprenda que los tamaños de la materia de, digamos, un ser humano o algún dispositivo de medición, espacialmente se mantienen unidos por fotones;

Pero lo que Richard Feynman simplificó aquí en este dibujo como partículas puntuales con masa en reposo (o energía en reposo) para el protón y el electrón, en realidad son cuatro partículas (2 quarks hacia arriba y 1 quark hacia abajo para el protón, y 1 electrón) ganando energía (o masa) de interacciones continuas con el campo de Higgs (si el campo de Higgs fuera cero), y también en gran medida de la interacción fuerte en el caso de los quarks dentro del protón. En esencia, todas estas partículas siempre se mueven a la velocidad de la luz, pero se “patean” continuamente para que siempre parezcan estáticas para un determinado marco de referencia. La masa que tienen en este marco de descanso se origina casi por completo a partir de la energía obtenida del Higgs y la fuerte interacción.

Ahora, cuando las rutas de estas partículas que se mueven a la velocidad de la luz cambian cerca de una fuente de energía de masa, el tamaño relativo y el tiempo de esta materia también cambian de cierta manera, con respecto a otra materia que no está experimentando estas rutas curvas. Y esto también cambia la forma en que esa materia observa / mide su espacio y tiempo circundantes.

Aíslemos primero la curvatura del espacio (que en realidad no puede aislarse en realidad), sin involucrar el tiempo todavía. La curvatura del espacio para un fotón significa que cuando se dirige inicialmente hacia una sola dimensión espacial (x), comienza a filtrarse en otra dimensión (solo y o z, pero no t, en este ejemplo simplificado en particular). Imagine dos espejos, reflejando continuamente un fotón de un lado a otro en ángulos de entrada rectos siguiendo este camino curvo;

Llamamos a esa línea una geodésica. Si recibieras tal fotón en tu ojo, en realidad parecería que siguió un camino recto;

Como no hay curvatura en el tiempo en este ejemplo hipotético, tampoco hay gravedad (volveré sobre eso más adelante). Entonces, si estuviera flotando en el espacio con solo una curvatura espacial aislada como esta, podría ser empujado hacia la fuente de luz aparente , y estaría siguiendo el camino curvo hacia la fuente, porque también está unido por partículas sin masa. Pero en realidad parecería que estás siguiendo un camino recto hacia la fuente de luz, ya que siempre estás observando esa luz directamente delante de ti. Si lo rechazan después de llegar allí, sucede lo mismo. Los objetos rectos también se alinearán con el camino curvo, pero aún se verán perfectamente rectos. ¡Así que parece que no hay forma de saber que el espacio es curvo!

Pero una forma de saber que el espacio es realmente curvo es medir los ángulos de las formas geométricas básicas. Los tres ángulos de un triángulo, por ejemplo, deberían sumar 180 ° en el espacio euclidiano, pero no en el espacio curvo;

Esto es similar a dibujar triángulos grandes en nuestra Tierra esférica: puedes dibujar esas líneas en el suelo tan rectas como quieras, pero los ángulos nunca sumarán 180 °, aunque los triángulos pequeños aún parecerán triángulos perfectos;

Cuando también se incluye el tiempo para la curvatura espacial discutida, debe saber que el tiempo también está directamente relacionado con la velocidad de la luz. Si tuviéramos dos espejos que reflejen un fotón de ida y vuelta a una distancia corta, fija y conocida, el recuento de fotones en un lado podría informarnos perfectamente sobre nuestro tiempo transcurrido;

Sepa que no importa si la distancia entre las dos placas (su tamaño) se cambia por los caminos curvos de las partículas sin masa dentro de la materia, como se observa desde alguien a una distancia que no experimenta estos caminos curvos, ya que su propio tamaño también cambia de manera similar, si estás igualmente cerca de la fuente de energía de masa. El conteo de fotones todavía se relaciona perfectamente con su paso personal del tiempo.

La imagen también muestra que cuando vemos un reloj que no se mueve con respecto a nosotros (imagen izquierda), vemos un reloj que se mueve más rápido que cuando se mueve con respecto a nosotros (imagen derecha), porque para nosotros, estos pulsos de luz necesitan viajar una distancia más larga a su velocidad constante siempre observada. Pero para la persona que se mueve, junto con este reloj, no se observa que vaya más lento, ya que la tasa de cambio dentro de los cerebros de esa persona, y todo lo demás a esta velocidad, va exactamente en sincronía con el reloj de luz al lado él. Este fenómeno se sabe es dilatación del tiempo.

La velocidad de la luz siempre se mide por la materia como una constante, porque para toda la materia en cualquier marco de referencia, es realmente un factor de cambio de espacio a tiempo, y viceversa. Entonces, esta constante es mucho más que la velocidad de la luz: realmente dice cuántos metros caben en un segundo, de forma similar a como decimos que 5280 pies caben en una milla. La principal diferencia entre la dimensión del tiempo y las dimensiones del espacio es que solo podemos ver subjetivamente una porción de tiempo a la vez, porque es la dimensión la que tiene causalidad. Para ver la dimensión del tiempo completamente tal como es, necesitamos dibujar todas estas instancias de tiempo en sucesión, para que las partículas puntuales se conviertan en líneas en la dimensión del tiempo, conocidas como líneas mundiales. Esto es similar a la forma en que ya lo hicimos con los fotones en las imágenes anteriores. Pero para no tener una visión distorsionada, un segundo de luz debe dibujarse realmente tanto como un segundo, como se observa desde ese marco de referencia particular. De esta manera, nuestro mundo se vuelve verdaderamente 4-dimensional, en lugar de solo pensar en instantáneas tridimensionales.

Y al igual que la curvatura espacial se trata de partículas sin masa que inicialmente siguen 1 dimensión espacial que comienza a filtrarse en otra espacial, también se observará la línea mundial de un fotón que seguimos en incrementos constantes a lo largo del tiempo para comenzar a filtrarse en el espacio dimensión. Esto se observa cuando los objetos caen, sabiendo que la materia realmente consiste en partículas sin masa que van y vienen, de manera similar al reloj de luz.

Esta imagen muestra el camino que toma un fotón cerca de una fuente de energía de masa, donde la primera línea punteada es el camino que seguiría si no hubiera energía de masa alrededor. La segunda curva solo muestra la parte aislada del “espacio curvo” del espacio-tiempo curvo, pero los fotones también caen de ese camino a través del tiempo. El tiempo realmente se curva hacia la dimensión espacial con exactamente la misma cantidad que las curvas espaciales hacia el espacio.

Las primeras predicciones de Einsteins sobre dónde deberían aparecer las ubicaciones de las estrellas justo al lado de un eclipse solar eran erróneas, porque todavía no había incluido la curvatura del espacio hacia el espacio. En cierto sentido, tuvo suerte de que sus experimentos no se pudieran hacer durante un eclipse en ese momento, porque estalló la Primera Guerra Mundial y su equipo fue confiscado por los rusos, siendo alemán.

Entonces, cuando decimos que el espacio-tiempo mismo se curva, realmente se trata de cómo todas las partículas sin masa como los fotones y las partículas sin masa dentro de la materia se comportan cerca de la energía de masa, de forma análoga a cómo se comportan algunos metales cerca de un imán.

Pero debido a que todo lo que observamos está formado por partículas sin masa, no hay nada que no se vea afectado, por lo que el principio de equivalencia muestra que las rocas, las plumas y los fotones caerán igualmente rápido;

Es una pena que todo esto sea incompatible con la mecánica cuántica.

Hola, esa es una gran pregunta! Antes de preguntar, no, no soy un físico :-), pero creo que la mayoría de los físicos estaría de acuerdo con la respuesta que le voy a dar.

Por el momento, dejemos de lado las “dimensiones” y hablemos sobre el “espacio-tiempo”, y regresemos a las “dimensiones” al final. Con respecto al espacio-tiempo, la respuesta es sí … pero en un sentido que puede implicar o no todo lo que uno quisiera que implicara “entidad física real”.

(Puede parecer que algo de esto está profundizando un poco más en la filosofía que en la física, y esto es un mal intelectual necesario o un ejercicio intelectual agradable, dependiendo de su disposición :-).

En primer lugar, ¿qué significa “real”? Hay dos sentidos posiblemente relevantes, pero ambos esencialmente se reducen a “real” / “factual”, en comparación con “inactual” / “contrafactual”.

El primer sentido es un significado general de “real” como vs. ficticio, ficticio, imaginario, hipotético o falso. Entonces Jimmy Carter es real, la luna es real, etc. Bilbo Baggins no es real, es ficticio. Una medición que no se corresponde con la realidad (por ejemplo, debido a error, mal funcionamiento, interferencia por algún efecto de confusión, etc.) es espuria y se dice que “no es real”.

El segundo sentido de “real” es más técnico y es específico de la física, y realmente solo lo incluyo aquí en aras de la integridad. No tiene ninguna relación con su pregunta, que realmente trata sobre el espacio-tiempo, así que siéntase libre de ignorar todo este párrafo que le guste :-). En cualquier caso, este sentido es el sentido de “real” en lugar de “virtual” en la mecánica cuántica. Las partículas tienen existencia real (aunque no necesariamente “absoluta” … en algunos casos la existencia de partículas es relativa, es decir, dependiente del marco). “Partículas virtuales” es un término utilizado en el contexto de las descripciones matemáticas que surgen en la mecánica cuántica en el marco de la teoría de la perturbación, por ejemplo, para describir cosas como la dispersión en la electrodinámica cuántica. Básicamente, la matemática funciona “como si” se intercambiaran estos “fotones virtuales” entre partículas cargadas, pero los físicos no se imaginan que las partículas realmente arrojan fotones de un lado a otro.

Entonces, ¿el espacio-tiempo es real? Sí, lo es, es decir, es fáctico, no inventado, ni hipotético, etc.

Continuando, ¿qué significa el término “físico”? Significa tener que ver con fenómenos observables. En el nivel más bajo, eso significa relacionarse directamente con las partículas y sus movimientos , que esencialmente es a lo que se reduce toda la física.

Muchas cosas son reales , pero no físicas . Algunos ejemplos:

• Tu conciencia
• Sensaciones (contenidos de la conciencia)
• Pensamientos (otro tipo de contenidos de conciencia)
• Emociones (otro tipo de contenidos de conciencia)
• etc.

(Los contenidos de la conciencia tienen correlatos físicos , que son procesos neurofisiológicos correspondientes, sin embargo, afirmar la identidad ontológica de estos correlatos con los fenómenos a los que corresponden es la falacia filosófica del reduccionismo).

Sin embargo, el espacio-tiempo es innegablemente físico , ya que (a) es el fondo en el que las partículas existen y se mueven, y (b) en sí mismo es actuado por partículas (los estiramientos / deformaciones dependen del marco en una relatividad especial y las deformaciones / curvas en respuesta a la energía en la relatividad general).

Hasta ahora, entonces, tenemos que el espacio-tiempo es una entidad física real. Sin embargo, ¡no está hecho de cosas! Es inmaterial No existe un “tejido del espacio-tiempo”.

Cuando el espacio-tiempo sufre deformaciones (curvas / deformaciones / curvas / estiramientos) no lo hace de la misma manera que lo hacen las cosas hechas de cosas . Cuando las cosas materiales se deforman, eso significa un cambio en las relaciones en el espacio de todos sus bits constituyentes. El espacio no está hecho de cosas y no tiene varios bits “en el espacio”, es el espacio, así que cuando hablamos de cómo se deforma estamos hablando de cambios en cómo interactúa con cosas materiales.

También es posible que desee ver la respuesta de Mark Lundquist a Cuando la masa deforma el espacio-tiempo, ¿qué es lo que se está deformando?

Bien, ¿y qué hay de las “dimensiones”?

El espacio físico es “tridimensional”, y lo que realmente significa es que está descrito por un espacio métrico (es decir, las distancias están bien definidas) que admite una base ortonormal de dimensión 3. Es un poco engañoso cómo se coloquializa que el espacio ” tiene tres dimensiones”. ¿Qué dimensiones particulares se puede decir que “tiene” exactamente? No tiene ningún tres en particular. Si tuviéramos que hablar de “arriba / abajo”, “izquierda / derecha”, “adelante / atrás”, en relación con lo que se definen? No hay orientación privilegiada. No se puede señalar una “dimensión” y decir “esta es una propiedad fundamental del espacio”. Más bien, la “tridimensionalidad” es una propiedad fundamental del espacio.

De todos modos, ¡las “dimensiones” no son entidades físicas! Son características de la descripción matemática del espacio-tiempo, que es una entidad física.

Entonces, para resumir, entonces: “El espacio-tiempo es una entidad real, física e inmaterial que (a) sufre deformaciones, y (b) se describe por dimensiones”.

Espero que encuentres esto útil. La razón por la que no es una respuesta simple es que el espacio-tiempo es único, no hay nada más que sea completamente como el espacio-tiempo. Por eso, en cierto sentido, existe a su manera, no de la misma manera que las cosas hechas de cosas. Si la gente quiere insistir en que la “existencia” física tiene que ver con estar hecha de cosas, entonces es difícil de vender porque se siente como una especie de “súplica especial” a alguien que en realidad no está dispuesto a otorgar atributos como “real “Y” físico “sobre la base de definiciones como las que di, pero solo como sinónimos de su construcción a priori de” existencia “como” existencia material “. Si dices “está bien, bueno, en ese sentido, el espacio-tiempo no es real y físico”, entonces dicen “ajá, así que admites que realmente no se dobla y deforma, y ​​lo que sea, Einstein es un fraude, el emperador no tiene ropa, etc. “Si dices que realmente se curva y demás, entonces vuelven a querer saber de qué está” hecho “< facepalm!> 🙂

¡Salud!

EM, reformulemos: ¿la física usa la relatividad general para combinar, doblar, deformar, curvar, estirar y mover, dimensiones que son entidades físicas reales?

Respuesta: Primero: las dimensiones no son entidades físicas, son lo que definimos, entendemos, sin luz, la casa en la que se encuentra todavía tiene dimensiones que puede sentir y tocar, pero si no sabía nada sobre las dimensiones (no es una entidad física real) house todavía está allí … las dimensiones nos ayudan a describir la entidad / evento físico, espacialmente en el eje x, y, z.

Como cita un observador prudente: ‘Las dimensiones son conceptos humanos como líneas de latitud y longitud. Están allí para ayudar a cuantificar ciertas relaciones entre objetos y eventos. No tienen existencia física significativa e independiente .; Fin de la cita bien dicha.

2º- el empleado general de física para describir el “campo” o espacio e incluye el concepto 3d del espacio con un tiempo de 4ta dimensión para tener espacio-tiempo. Y a partir de ahí, la flexión, envoltura, estiramiento, etc. viene en las descripciones matemáticas, arte que ha evolucionado magistralmente desde que surgió el espacio-tiempo de Minkowski-Einstine hace más de 100 años. Spacetime y GR es exitoso, matemáticamente divertido si eres propenso a ello, pero carece de algunos resultados que, como se describe en las dimensiones “doblar, deformar, curva, estirar y mover”, que no son entidades físicas aplicadas a las descripciones de las entidades físicas.

Por ejemplo, en GR se describe como un espacio-tiempo exprimido de un solo punto profundo en un pozo de gravedad con respecto a un agujero negro de masa singular. Esa masa singular es geométricamente mucho más grande que un solo punto en un pozo de gravedad; y como tal, GR carece de descripciones espaciales geométricas / precisión. Además, el desplazamiento hacia el rojo ligero engaña a GR por su dependencia / dependencia del tiempo de viaje ligero, lo que equivale a una distancia infinita más allá del horizonte de eventos.

El desplazamiento al rojo infinito en el horizonte de eventos indica a GR que el objeto se está alejando rápidamente hacia un espacio-tiempo infinito dentro del horizonte de eventos del agujero negro. Sin embargo, la distancia y el tiempo reales desde el objeto que ingresa al horizonte de eventos en la colección de masas singular, es relativamente corto en comparación con el tiempo y la distancia que el objeto pasó fuera del horizonte de eventos. GR carece de describir correctamente ese evento, y principalmente debido al ‘desplazamiento al rojo infinito’ o la luz en la que se confía, además de combinar espacio y tiempo, curva o de otra manera.

douG: olvidé terminar esto antes, es decir, es tarde

Las dimensiones son reales, pero lo que describiste no es lo que son. El ancho es una dimensión. La amplitud es una dimensión. La altura es una dimensión. El tiempo es una dimensión. Es posible que existan otros universos que tengan más dimensiones que esta, pero el nuestro no.

No sé cómo se llama lo que estás describiendo, ya que no recuerdo haber escuchado algo así antes, pero no es una dimensión.