¿Por qué Einstein sintió que la gravedad era más que una simple curvatura del tiempo y por eso desarrolló una relatividad general basada tanto en la curvatura del tiempo como en el espacio?

Para agregar un punto a las varias respuestas ya excelentes aquí, después de haber leído recientemente la biografía científica de Einstein de Abraham Pais, salí con la impresión de que el objetivo principal de Einstein no era tanto una nueva teoría de la gravedad, sino generalizar la teoría de la relatividad (que era no llamado “especial” antes de 1915!) a cuadros de aceleración. Su comprensión de que el principio de equivalencia significa que los efectos de la gravedad pueden eliminarse en un vecindario local mediante el uso de un marco acelerador lo llevó a comprender que la teoría general necesariamente debe incluir la gravedad. Por otro lado, la teoría general preservaría la invariancia de Lorentz-Poincare en barrios pequeños, por lo que tratar el espacio y el tiempo en igualdad de condiciones era una necesidad evidente.

La curvatura espacial puede tener un efecto minúsculo en cuerpos de movimiento lento en campos gravitacionales débiles, pero Einstein se dio cuenta de que la curvatura espacial alteraría significativamente las trayectorias de las partículas de movimiento rápido, incluidos los fotones. De hecho, esta es la razón por la cual la teoría de Einstein predice el doble del ángulo de flexión para la luz que una teoría corpuscular newtoniana. Este es el significado de la confirmación de Eddington de la predicción de Einstein durante el eclipse solar de 1919: confirmó una predicción única de la teoría de Einstein.

Einstein inventó la relatividad especial antes que la relatividad general, y la relatividad especial ya dejó en claro que el tiempo y el espacio estaban mezclados incluso por un movimiento traslacional uniforme.

La teoría newtoniana de la gravedad era claramente inadecuada si la relatividad especial era correcta, ya que implicaba una velocidad de propagación infinita para los efectos de la gravedad. Lo mejor que se podía hacer era calcular algunas correcciones relativistas especiales al movimiento en un campo de fuerza de gravedad newtoniana.

Entonces se inició una carrera por una teoría de la gravedad relativistamente invariante de inmediato, y hubo muchos intentos de encontrar uno, no solo uno. Los intentos más simples de generalizar la gravitación newtoniana fueron completamente infructuosos. Eran inconsistentes con el experimento.

Debido a que la relatividad especial mezcló el tiempo y el espacio, la curvatura del tiempo no se pudo hacer de una manera que fuera consistente con la relatividad especial sin incluir también la curvatura del espacio.

Al construir la relatividad general, el principio rector de Einstein era que todos los marcos de referencia y todos los observadores deberían tener una descripción de las leyes de la física que fuera invariante, no solo observadores inerciales.

En otras palabras, buscó una generalización del principio de relatividad que incluiría la relatividad especial como un caso particular. La relatividad especial era realmente una teoría que describía la dinámica en un espacio-tiempo plano con métrica lorentziana.

Entonces, está claro para nosotros ahora, aunque posiblemente no fue claro de inmediato desde el principio, que este principio de relatividad generalizada tendría que incluir en general la curvatura del espacio y el tiempo si fuera a describir la gravedad.

La ruta real de Einstein a la teoría general fue bastante larga y estuvo llena de prueba y error. Aprendió geometría riemanniana de su buen amigo Marcel Grossmann. Finalmente no escribió las ecuaciones de campo correctas hasta 1915, más de 10 años después de ” Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”.

Einstein también se guió por el pensamiento de Ernst Mach sobre la relatividad del movimiento, y no hizo distinción entre la gravedad y las fuerzas como la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis. Aquí es donde entró en escena su famoso experimento de pensamiento sobre un observador en un elevador uniformemente acelerado: se dio cuenta desde el principio de que no habría forma de que un observador en ese elevador distinguiera entre los efectos de un campo gravitacional uniforme y el efecto de un aceleración uniforme, en un corto período de tiempo.

1. Según Einstein, como lo demostró la teoría especial de la relatividad, el espacio y el tiempo por separado son cantidades relativas que varían con los observadores individuales. Einstein toma esta idea de Minkovski, quien desarrolló las matemáticas del continuo espacio-tiempo. El espacio-tiempo de Minkovski (4 D) es una construcción matemática.

Pero para Einstein, el continuo espacio-tiempo no es simplemente una construcción matemática. Einstein vio que el mundo es un continuo espacio-tiempo.

“Sin embargo, para describir cualquier evento físico que implique movimiento, no es suficiente simplemente indicar la posición en el espacio. Es necesario indicar también cómo cambia la posición en el tiempo. Por lo tanto, para dar una imagen precisa de la operación de Nueva York – Chicago Express, uno debe mencionar no solo que va de Nueva York a Albany a Siracusa a Cleveland a Toledo a Chicago, sino también los momentos en que toca cada uno de esos puntos . esto se puede hacer ya sea por medio de un horario o un gráfico visual “.

“De la misma manera, el vuelo de un avión desde Nueva York a Los Ángeles puede representarse mejor en un continuo espacio-temporal de cuatro dimensiones. El hecho de que el avión esté en la latitud x, longitud y, y altitud z, no significa nada para el administrador de tráfico del avión a menos que también se proporcione la hora coordinada. Entonces el tiempo es cuarta dimensión. Y si uno desea ver el vuelo como un todo, como una realidad física, no se puede dividir en una serie de despegues, subidas, deslizamientos y aterrizajes desconectados. En cambio, debe considerarse como una curva de continuo en un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

Como el tiempo es una cantidad impalpable, no es posible hacer un dibujo o construir un modelo de un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Pero se puede imaginar y se puede representar matemáticamente.

Obviamente, los astrónomos tienen que pensar en el Universo como un continuo espacio-tiempo ”(Lincoln Barnett, The Universe y Dr. Einstein, páginas 58–61)

Einstein no continuó sus fantasías al espacio en los eventos del movimiento del Sol, la Luna, las estrellas y los planetas. Sus fantasías limitadas en el movimiento de Chicago Express y el vuelo de un avión. Para el profano, es realmente un hecho común y hace mucho tiempo es ampliamente conocido. De hecho, el tiempo utilizado por los trenes, aviones y barcos se determinó en función de la astronomía. Nuestros relojes son una hora media local, y se calcula a partir de la hora media de Greenwich.

Parece que Einstein no tenía idea de las fantasías del movimiento de los cuerpos celestes. No se había dado cuenta de que las ubicaciones de las estrellas en el cielo se pueden representar como un avión en la latitud x, longitud y y altitud z.

La afirmación de Einstein es incorrecta: “Dado que el tiempo es una cantidad impalpable, no es posible hacer un dibujo o construir un modelo de un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Pero se puede imaginar y se puede representar matemáticamente ”.

El tiempo como una dimensión, en realidad es una dirección del espacio tridimensional. No es un espacio-tiempo de cuatro dimensiones (4 D), sino un espacio tridimensional y unidireccional (3 D + 1 D). Un modelo de un espacio-tiempo de cuatro dimensiones (4 D) debe tener una dirección: 4 D + 1 D, pero no es posible dibujar una imagen de 4 D + 1 D.

En astronomía se conoce un modelo de un espacio tridimensional y unidireccional, que es 3 D + 1 D Espacio y tiempo, para ser más precisos, 3 D + 1 D Sistema de coordenadas de esfera celeste. Por lo tanto, dado que el tiempo es una cantidad impalpable, es posible dibujar una imagen o construir un modelo de un espacio tridimensional y una dirección (tiempo).

Sistema de coordenadas 3 D + 1 D Celestial Sphere

Parece que Einstein no tenía idea en lo básico “elemental” del concepto fundamental de astronomía.

Einstein dijo: “Obviamente, los astrónomos tienen que pensar en el Universo como un continuo espacio-tiempo”. Significa que Einstein aconseja a los astrónomos la necesidad de tener en cuenta el tiempo, porque el tiempo no puede separarse por el espacio.

“Sin embargo, en un documento notable escrito en 1905, cuando era empleado de la oficina de patentes suiza, Einstein demostró que la hora y la posición en la que se pensaba que ocurría un evento dependían de cómo se movía. Esto significaba que el tiempo y el espacio estaban inextricablemente unidos entre sí ”(Stephen Hawking, Stephen Hawking).

Como Stephen Hawking dijo que el tiempo y el espacio estaban inextricablemente unidos entre sí, para el profano podría ser algo nuevo, pero para los astrónomos no es nada nuevo. El espacio y el tiempo se combinaron en astronomía casi para siempre. En realidad, el tiempo es uno de los conceptos básicos en astronomía.

En astronomía, saber el tiempo es muy importante. Es por eso que, antes de la invención del reloj atómico, el reloj utilizado en los barcos se llama específicamente cronómetro.

La órbita de la Tierra alrededor del Sol, es de aproximadamente 900 millas por hora. significa que nuestra posición en la Tierra o posición geográfica se mueve alrededor de 900 millas por hora. Podemos hacer el cálculo de que 4 segundos de tiempo son iguales con 1 milla, o 1 minuto de tiempo (60 segundos) es igual con 15 millas. Obviamente, debemos conocer el tiempo con bastante precisión para obtener la precisión del cálculo, por ejemplo, al medir la altitud de la estrella en el cielo.

Esa es la razón por la cual los cálculos en astronomía se aplicaron de forma inmediata o instantánea.

Tres tipos de tiempo en astronomía.

Una es la hora local, la otra es la hora media de Greenwich (GMT) y la hora sideral. Hora local, es la hora a la que ya estábamos acostumbrados, viene en 24 variedades o zonas diferentes.

El tiempo medio de Greenwich (GMT) es el tiempo estándar en la astronomía, cuando alguien realiza un cálculo en relación con la altitud aparente de los cuerpos celestes y la desviación de los rayos, utilizando el sextante y el almanaque náutico. GMT no varía según la ubicación.

Surgen algunas preguntas interesantes

¿Por qué no sabían que el espacio y el tiempo se combinaban en astronomía casi para siempre? Si “es una teoría no solo del espacio curvo, sino también del tiempo curvo o deformado”, ¿cómo midió esta teoría el tiempo para diferentes tipos de tiempo, por ejemplo, Tiempo Solar Verdadero, Tiempo Solar Medio y Tiempo Sideral?

Algo extraño que sucedió en la vida de Einstein

2. El Principio de Equivalencia es un postulado básico de la relatividad general, que establece que en cualquier punto del espacio-tiempo los efectos de un campo gravitacional no pueden distinguirse experimentalmente de los debidos a un marco de referencia acelerado.

Use el principio de equivalencia y se verá como el pensamiento más feliz de Einstein

La gravedad como campo requeriría energía negativa, esto era conocido tanto por Maxwell como por Heaviside.

Tenga en cuenta que los potenciales retardados por sí mismos son suficientes para producir los efectos de la relatividad especial, y la ecuación de continuidad de los objetos con carga es suficiente para producir ecuaciones con forma de maxwell. Es decir, la ecuación de continuidad (conservación de energía) es suficiente para producir gravedad.

Hacer que el espacio sea curvo es entonces una respuesta que “rodea” el tema espinoso de la energía negativa, pero hay que suponer que la energía que surge de un campo gravitacional proviene de la tensión del espacio.

Uno de los principios básicos de la relatividad es que las leyes de la ciencia deben expresarse en términos de cantidades que todos los observadores miden como iguales. Estas cantidades son llamadas invariantes . Ni la distancia (sqrt [Δx ^ 2 + Δy ^ 2 + Δ ^ z]) ni el tiempo (Δt) son invariables. Pero el intervalo (Δx ^ 2 + Δy ^ 2 + Δz ^ 2 -c ^ 2Δt ^ 2) medido en conjunto es invariable. Es por eso que hablamos del espacio-tiempo como un sistema de coordenadas unificado.

Resulta que la masa no es invariante. Por lo tanto, razonó Einstein, la ley de gravitación de Newton no podía ser correcta, y se necesitaba una nueva teoría de la gravedad. La relatividad general es esa teoría de la gravedad.

En la nueva teoría, Einstein abandonó el concepto de fuerza y, en cambio, construyó una teoría que modeló el espacio como una geometría no euclidiana.

Las matemáticas que definieron el espacio-tiempo ya se habían desarrollado. Así, el reconocimiento por parte de la física fue que el tiempo y el espacio eran un continuo unificado.

El espacio de Minkowski entra en más detalles sobre esta configuración matemática y cómo / por qué Einstein lo utilizó para desarrollar la relatividad.

El punto principal es que dos eventos / ubicaciones son relativos entre sí tanto por su posicionamiento como por su intervalo. Si estamos hablando de causalidad, no se puede separar el intervalo de tiempo y la separación espacial en un universo donde la velocidad de la luz es un límite en la propagación de la causalidad del evento.

En mi opinión, él sabía que un cambio “abrupto” en la velocidad del tiempo sobre la distancia (es decir, campos fuertes), daría el mismo efecto que la curvatura espacial, sumado a los efectos de la gravedad newtoniana (es decir, curvatura de tiempo puro). Sin embargo, también sabía que tomar el espacio como curva sería mucho más fácil matemáticamente. Viene a ser lo mismo. La teoría es correcta.

Todas las respuestas a esta pregunta son incorrectas. Para la respuesta correcta ver:

http://astronomy-links.net/Light …

Einstein consideraba el Tiempo y el Espacio como unificados en una variedad.