Permíteme presentarte un presente … ¡mi explicación actual de la física del presente! (Lo siento, no pude evitarlo …)
Introducción
El artículo de Wikipedia sobre la relatividad de la simultaneidad es realmente amigable para los legos (al menos cerca del principio, que es suficiente para comprender los conceptos importantes) y ofrece una excelente respuesta a esta pregunta.
- ¿Cuáles son los malentendidos más comunes sobre la expansión del Universo?
- ¿Por qué las predicciones para la trayectoria de una pelota que rebota divergen entre la relatividad general y la gravedad newtoniana? ¿Cuál es la correcta?
- ¿Cómo se comportó la gravedad de las partículas que estaban muy cerca del borde del espacio-tiempo justo después del nacimiento del universo?
- ¿Qué dice exactamente la teoría de la relatividad? ¿Cómo se puede detener el tiempo? ¿Qué le sucede a la masa que entra dentro de un agujero negro?
- ¿Cuáles son los postulados para la relatividad?
Solo necesitaremos dos definiciones para esta explicación:
- Evento : un punto específico en el espacio en un punto específico en el tiempo
- AKA: un punto en el espacio-tiempo (no importa si algo “interesante” está sucediendo en el momento y el lugar de un “evento”).
- Marco de referencia inercial : aquí estás, en qué dirección te estás moviendo y qué tan rápido .
- La forma en que usamos esta idea es pensar en una “perspectiva” o “punto de vista” y cómo observadores diferentes con perspectivas diferentes (marcos de referencia inerciales) observarán cosas diferentes. (es decir, las observaciones son relativas a su marco de referencia inercial)
¿Qué es el presente? La respuesta corta es que “el presente” es relativo. En física, podríamos decir que “la simultaneidad distante no es absoluta”, o que la cuestión de si dos eventos separados espacialmente ocurrieron simultáneamente (al mismo tiempo) tiene una respuesta diferente dependiendo de su marco de referencia inercial .
Esto era algo que los físicos antes de Einstein consideraban una “paradoja” porque todavía creían en un “tiempo absoluto”, pero tiene sentido una vez que entiendes los conceptos básicos de la relatividad especial (que son sorprendentemente comprensibles para los no físicos si lees una buena fuente) .
Explicación
Del artículo vinculado de Wikipedia:
Por ejemplo, un accidente automovilístico en Londres y otro en Nueva York, que parecen suceder al mismo tiempo a un observador en la tierra, parecerá haber ocurrido en momentos ligeramente diferentes a un observador en un avión que volaba entre Londres y Nueva York . La cuestión de si los eventos son simultáneos es relativa : en el marco de referencia de tierra estacionaria, los dos accidentes pueden ocurrir al mismo tiempo, pero en otros marcos (en un estado de movimiento diferente en relación con los eventos), el accidente en Londres puede ocurrir primero, y aún en otros cuadros, el accidente de Nueva York puede ocurrir primero.
Muy bien, ¿eh? Ahora, si su imaginación es parecida a la mía, puede que se pregunte “Está bien, ¿eso significa que hay un marco de referencia inercial en el que la toma de posesión del presidente Obama ocurre simultáneamente con la coronación del rey Arturo?” ¿O tal vez un cuadro donde el primer paso de Neil Armstrong en la luna es simultáneo con el comienzo de la Revolución Americana?
Bueno, resulta que hay un límite para esto:
Sin embargo, si los dos eventos pudieran estar causalmente conectados (es decir, el tiempo entre el evento A y el evento B es mayor que la distancia entre ellos dividido por la velocidad de la luz), el orden se conserva (es decir, “el evento A precede al evento B”) en todos los marcos de referencia.
Ejemplos
Básicamente, si tuviera que hacer brillar un láser desde la ubicación del evento A (justo cuando ocurre el evento A) hacia la ubicación del evento B, y el láser llega al evento B antes de que ocurra el evento B, entonces el evento A definitivamente sucedió primero.
Por ejemplo, tomaría la luz del láser menos de una décima de segundo para viajar de Inglaterra a Washington DC, y una décima de segundo es menos de 1600 años, por lo que la inauguración de Obama y la coronación del Rey Arturo no son simultáneas en ningún caso. marcos de referencia inerciales. Del mismo modo, la luz tarda aproximadamente 1.3 segundos en pasar de la Tierra a la luna, y 1.3 segundos son menos de 239 años, por lo que desafortunadamente, no hay marcos de referencia inerciales en los que el Un salto gigante para la humanidad y el Shot Heard ‘alrededor del mundo son simultáneo tampoco.
Intuición
La intuición detrás de esto se debe a que la velocidad de la luz es esencialmente el “límite de velocidad cósmica”. Nada puede ir más rápido. Imagine que ocurre un destello de luz (que llamaremos evento A ) y luego esos fotones viajaron por un tiempo (a través de un vacío) antes de golpear un trozo de papel fotosensible, causando instantáneamente otro destello (Evento B). La intuición nos dice que, dado que el evento B fue causado por el evento A, es imposible que los dos eventos sean simultáneos.
Un fotón que viaja a la velocidad de la luz a través del vacío es lo más rápido que puede viajar, por lo que ni siquiera importa si los fotones del evento A realmente causaron el evento B o no. Lo importante es que podrían haberlo hecho (es decir, hubo suficiente tiempo intermedio para que los dos eventos pudieran haberse conectado causalmente). Si el evento B hubiera sucedido antes de que los fotones del evento A pudieran llegar allí, entonces sabemos que es imposible que el evento B haya sido causado por el evento A, ya que nada puede ir más rápido que eso. Y dado que no pueden estar causalmente conectados, existe un marco de referencia inercial en el que los dos eventos son simultáneos.
Entonces, ¿cuál es el presente? Si fuera a marcar una instancia del presente al encender una luz en todas las direcciones, los lugares y los tiempos donde van esos fotones marcan el límite de los eventos que “definitivamente no son simultáneos con su presente” en cualquier marco de referencia inercial. Eso nos da un límite en la dirección “hacia adelante” en el tiempo. Para el límite “hacia atrás” del presente, podríamos imaginar hacer lo mismo, pero con el tiempo invertido, por lo que estaríamos iluminando los eventos que habían sucedido anteriormente (*). Cualquier evento que toque la luz podría estar potencialmente conectado a su presente (ya sea hacia adelante o hacia atrás en el tiempo), por lo tanto, no son simultáneos con el presente de su marco de referencia (en el instante en que brilló la luz) en cualquier marco de referencia inercial. Pero los “eventos” que representan el instante “antes” de que la luz llegara allí podrían verse como simultáneos con su presente en algunos marcos de referencia.
Esta noción de encontrar “eventos que podrían estar potencialmente causalmente conectados” mirando lo que la luz de un evento podría tocar es en realidad una idea realmente famosa en Física llamada “Cono de Luz”.
Cono de luz
Imagen de Wikipedia [1]
Este diagrama representa el espacio tridimensional como un plano bidimensional. La línea vertical en el centro de la imagen que ocupa la tercera dimensión en el dibujo representa el tiempo (el eje t ) con la flecha hacia abajo apuntando hacia el pasado y la flecha hacia arriba hacia el futuro. Entonces, ese rectángulo en el medio representa una instantánea del universo entero en un instante específico en el tiempo, y el punto en el rectángulo donde se encuentran los dos conos representa el presente en un marco de referencia inercial específico.
El “siguiente” instante en el tiempo sería otra instantánea rectangular que se encuentra directamente encima de la anterior. Unos 10 minutos instantáneos en el futuro podrían tener una instantánea un poco más arriba en el cono. Si dibujamos esa instantánea, sería una “rebanada” a través del cono. Si luego trazamos donde la rebanada intersecta el cono, se vería como un círculo dibujado en el nuevo rectángulo. Cada punto dentro de ese círculo representa un punto en el espacio que la luz del evento original podría haber alcanzado en el momento de la nueva instantánea.
Este diagrama en realidad representa nuestro experimento mental perfectamente. Si el evento en el centro es el correcto cuando alumbramos la luz, entonces el “cono de luz futuro” contiene todos los eventos futuros que podrían verse afectados por el evento en nuestro presente cuando alumbramos la luz. Y el “cono de luz del pasado” contiene todo lo que posiblemente podría haber afectado ese presente. (Esto es equivalente a la idea de que cambiemos el tiempo en reversa y que alumbremos una luz hacia atrás. Vea la nota al pie (*) para más información).
Por otro lado, cada punto que NO esté dentro del cono de luz no está conectado causalmente con nuestro presente (es decir, no podría haber afectado nuestro presente, y nuestro presente no podría haberlo afectado porque incluso algo que viaja a la velocidad de la luz no hacerlo entre ellos a tiempo). Por lo tanto, para cada uno de esos puntos fuera de los conos, hay un marco de referencia inercial en el que parecen ser simultáneos con nuestro presente.
Si lo piensas, tiene sentido. TODA esta explicación básicamente se reduce a una regla: nadie en ningún marco de referencia puede ser testigo de una cosa en dos lugares a la vez . Si pudieras ver dos cosas que podrían estar conectadas causalmente y parecieran ser simultáneas, entonces sería posible ver el mismo fotón (o cualquier otra cosa que fuera de un evento a otro) en dos lugares a la vez.
Editar: Este diagrama se agregó para ayudar a responder la pregunta de por qué, para dos eventos que no pueden estar conectados causalmente, hay algún marco de referencia inercial en el que esos dos eventos son simultáneos.
Cada una de las líneas de colores dibujadas aquí representa una “línea de simultaneidad”. La línea horizontal azul es la línea de simultaneidad para el marco de referencia estacionario del Evento A. Todos los puntos (eventos) a lo largo de la línea azul están a la misma altura en el eje t pero diferentes puntos en el eje x, por lo tanto, todos sucedieron al mismo tiempo (en ese marco de referencia) pero en diferentes lugares. Sin embargo, esa línea cambia a medida que te mueves más rápido. La línea púrpura es, en cierto sentido, la “misma” línea que la línea azul: desde la perspectiva de ese marco de referencia que se mueve (en relación con el primer marco de referencia), todos los puntos a lo largo de la línea púrpura también tienen el mismo valor en el eje t, haciéndolos todos simultáneos en ese marco de referencia, pero no del marco de referencia del primer observador. (Aquí hay otra imagen que puede ser útil. Asegúrese de leer el título).
/Editar
Las respuestas)
Por lo tanto, si desea definir su “presente” en términos que serán los mismos para todos los marcos de referencia, es lo mejor que obtendrá. Pero si no le importan otros marcos de referencia, solo recuerde que tiene su propio marco de referencia inercial en cualquier momento dado, como todo lo demás. Por lo tanto, el “conjunto de eventos separados espacialmente que son simultáneos a su presente en su marco de referencia inercial en cualquier momento dado” ES absoluto. Puede que le parezca mal a alguien más …
De todos modos, si te pareció interesante, déjame un comentario. Los comentarios son lo que más me gusta de escribir en Quora.
¡Salud!
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(*) “Hacer brillar una luz hacia atrás en el tiempo” es probablemente la forma más fácil de visualizarlo, pero esta es la definición más precisa. Estamos hablando de: “El conjunto de todos los eventos que ocurrieron antes de activar el destello de luz (con” antes “definido en términos del marco de referencia inercial de usted activando el flash) de modo que si cada uno de esos eventos tuviera lanzó un fotón en línea recta hacia usted en el momento de su aparición, esos fotones lo golpearían exactamente en el momento en que estaba activando el flash “.
Ese conjunto de eventos marca el límite “hacia atrás” de los eventos que “definitivamente no son simultáneos con la activación del flash” porque podrían estar conectados causalmente. Cualquier evento que sucedió “después” de esos eventos (como se ve desde su marco de referencia) en la misma ubicación de esos eventos es simultáneo con su evento en algún marco de referencia inercial.
Notas al pie
[1] Cono de luz