¿Por qué el tiempo se ralentiza cuando el espacio se contrae?

Para ser precisos, un aumento en la gravedad y / o un aumento en la velocidad relativa hace que los relojes funcionen más lentamente pero no tienen ningún efecto observable en el espacio.

Albert Einstein caracterizó el 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. El tiempo no se puede observar y es muy probable que sea simplemente una noción humana (¡aunque sea una noción muy útil!).

La física define el tiempo como “lo que se mide por los relojes”; eso es todo. La medición del tiempo es simplemente la cuantificación arbitraria de un conjunto dado de eventos.

Existe una idea errónea común de que el tiempo es algo que realmente existe como una cuarta dimensión independientemente de la materia, la energía y el espacio y sus diversas interacciones (eventos). El tiempo no puede ser observado y no hay evidencia de que realmente exista fuera de los límites de la mente humana.

Cuando medimos el tiempo, en realidad estamos contando eventos como el tictac de un reloj. Los eventos son lo suficientemente reales, pero el intervalo de tiempo que medimos se considera mejor como un intervalo imaginario entre eventos.

La noción popular del tiempo que “fluye” a diferentes velocidades es únicamente una noción. La velocidad de cualquier marco de referencia inercial, así como el campo gravitacional local, afectará la “medición” del tiempo medida por un observador relativamente estacionario. Por lo tanto, podemos decir de manera confiable que el número de tics del reloj variará, pero no podemos decir que el flujo del tiempo se alterará.

Pero si el tiempo es únicamente una noción humana, ¿qué está causando que los relojes se desaceleren?

Una interpretación alternativa de las consecuencias de la relatividad especial.

La teoría de la relatividad especial de Einstein
La teoría de la relatividad especial de Einstein predice que para los objetos que viajan a una fracción significativa de la velocidad del tiempo de luz se ralentiza y el espacio se reduce. Las observaciones experimentales están de acuerdo con las predicciones. Por ejemplo, un observador estacionario observa normalmente que las partículas de vida corta como los muones cuando están en reposo existen durante períodos significativamente más largos cuando viajan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

Matemáticamente Velocidad = Distancia / Tiempo

Como la velocidad de la luz parece ser constante en cualquier marco de referencia, la conclusión matemática debe ser que los valores de distancia y / o tiempo han cambiado.

1. En el marco de referencia de Muon, la distancia recorrida por los Muons ha disminuido LITERALMENTE.

2. En el marco de referencia del observador, el tiempo se ha reducido LITERALMENTE para que los muones les permitan vivir más

La dificultad para comprender estas predicciones es que son contra intuitivas (lo que no quiere decir que estén equivocadas). ¡Un astronauta que viaje a casi la velocidad de la luz durante un año volverá a la Tierra biológicamente más joven que su hermano gemelo en unos treinta años!

Una explicación típica de la anomalía es que el tiempo fluye a un ritmo más lento para el astronauta que para su hermano gemelo en la Tierra. La analogía del tiempo que fluye evoca imágenes del agua que se mueve en un río. Pero como el tiempo no parece, en ningún sentido real, ser una sustancia identificable tangible como el agua, ¿se puede decir que realmente fluye a diferentes velocidades? El paso del tiempo solo se puede medir indirectamente en términos del intervalo entre eventos. La medición más precisa del tiempo se encuentra actualmente en términos del intervalo entre 2 condiciones mecánicas cuánticas de un átomo de cesio 133. Pero, ¿qué es lo que realmente estamos midiendo cuando decimos que estamos midiendo el tiempo?

¿Existe el tiempo?
No hay evidencia directa de que el tiempo sea en realidad parte del tejido del universo. Es probable que los seres humanos imaginaran la noción del tiempo como una forma conveniente de que 2 o más personas estén en el mismo lugar para compartir una tarea. Por ejemplo, un acuerdo para que 2 personas se reúnan para cazar al amanecer en la orilla de un río junto a una gran roca es en efecto una sincronización del evento del amanecer con 2 personas y un punto geográfico único en el planeta. La noción humana del tiempo sirve para sincronizar con precisión los eventos de una especie que debe gran parte de su éxito al comportamiento cooperativo organizado.

Aunque hoy asociaríamos la salida del sol con una hora específica indicada en un reloj de pulsera (o más exactamente un reloj atómico) no existe un punto de referencia absoluto “conocido” en ningún marco de referencia. es decir, no existe un tiempo estándar universal “conocido” en ninguna parte del universo con o sin los efectos relativistas de la velocidad y la gravedad. Significativamente, el amanecer sobre nuestro lugar en el río nunca será exactamente a la misma hora local desde cualquier amanecer hasta cualquier otro amanecer medido por un reloj atómico situado junto a la roca. Esto se debe en parte a los cambios perpetuos en la órbita de la Tierra y en parte a la incertidumbre de la ubicación y la velocidad de las partículas cuánticas. Las observaciones cuánticas sugieren que puede ser imposible predecir o medir la hora local precisa de cualquier evento en el universo. Sin ninguna evidencia directa de su existencia como parte del tejido del universo, quizás sea más útil pensar que el tiempo es un intervalo imaginario entre 2 eventos.

¿Puede haber una forma más intuitiva de explicar las observaciones predichas por la relatividad especial?
La observación de que los Muones de alta velocidad duran más que los Muones en reposo podría interpretarse de 2 maneras:

1. Los muones se descomponen al mismo ritmo, independientemente de su velocidad. La velocidad de un Muón hace que el tiempo se desacelere en su marco de referencia, de modo que para un observador estacionario para quien el tiempo corre más rápido, un Muón de alta velocidad parece decaer más lentamente que un Muón estacionario.

2. Los muones se descomponen a una velocidad inversamente proporcional a su velocidad en relación con un observador estacionario

Es difícil concebir una forma de probar de manera concluyente cualquiera de las interpretaciones sin tener un punto de referencia absoluto para el tiempo.

La primera interpretación se basa en la suposición de que el tiempo es parte del tejido del universo y que el tiempo literalmente fluye. Esta es la interpretación actualmente aceptada.

La segunda interpretación (alternativa) supone que el tiempo es meramente una noción humana y no es parte de la estructura del universo en ningún sentido real. En este caso, la dilatación del tiempo ya no es una explicación plausible para el aumento de la vida útil de los muones de alta velocidad. Dado que la dilatación del tiempo ya no puede ser una explicación, la inferencia es que los Muones de alta velocidad literalmente duran más que los Muones relativamente estacionarios como consecuencia directa de la velocidad relativa (o energía cinética relativa) del sistema cerrado de rápido movimiento que contiene los Muones.

Si bien se observa que las partículas como los muones se descomponen en diferentes partículas, no se entiende qué desencadena exactamente el cambio. Wikipedia define la descomposición de partículas como el proceso espontáneo de una partícula elemental que se transforma en otras partículas elementales. Wiktionary define el significado de espontáneo como “autogenerado; sucediendo sin ninguna causa externa aparente “. Parece que hay 2 posibles interpretaciones:

1. Las partículas cuánticas se descomponen (o transforman) espontáneamente sin ninguna influencia externa

2. Las partículas cuánticas se descomponen (o transforman) debido a la influencia de otros eventos cuánticos en su vecindad

En la primera interpretación, la noción de que una partícula indivisible fundamental puede transformarse sin influencia externa es a la vez contraintuitiva e inconcebiblemente difícil de concluir a partir de la observación experimental.

Suponiendo que la descomposición de las partículas está influenciada por otros eventos cuánticos en la vecindad, se deduce que la tasa de descomposición estará influenciada por la frecuencia de tales eventos cuánticos.

Por ejemplo, no se puede esperar ningún cambio en un Muon hasta que se produzca un evento cuántico lo suficientemente cerca como para afectarlo. Dado que una partícula cuántica requiere otra partícula en su vecindad para precipitar un evento, se deduce que la frecuencia de los eventos cuánticos se rige por la velocidad (o momento angular) de las partículas cuánticas dentro del espacio cuántico. De esto se puede inferir que la velocidad (o momento angular) de todas las partículas cuánticas dentro del espacio cuántico se reduce en proporción a la velocidad del sistema cerrado que contiene las partículas cuánticas.

Por ejemplo, un reloj atómico mide el intervalo entre 2 condiciones mecánicas cuánticas del átomo de cesio 133 y lo registra como un intervalo de tiempo discreto. En el caso de un reloj atómico de movimiento rápido, habrá un intervalo aumentado entre las 2 condiciones mecánicas cuánticas y, en consecuencia, el intervalo de tiempo discreto registrado será mayor que el intervalo de tiempo discreto registrado por un reloj atómico relativamente estacionario.

Dado que todos los objetos consisten en partículas cuánticas, se deduce que no puede ocurrir un cambio observable en un objeto hasta que haya un cambio en sus partículas cuánticas constituyentes. El intervalo entre 2 estados cualquiera de un objeto está sujeto y es proporcional a los intervalos entre eventos cuánticos que ocurren entre las partículas cuánticas constituyentes de ese objeto. De ello se deduce que el intervalo entre cualquiera de los 2 estados observables de un objeto en rápido movimiento aumenta en proporción a la velocidad del objeto.

Por ejemplo, un astronauta que sale de una posición inicial de papelería en la Tierra y luego acelera a cerca de la velocidad de la luz no observará ningún cambio en el intervalo entre los eventos que ocurren dentro de su nave espacial en ninguna etapa de su viaje. Sin embargo, un observador estacionario en la Tierra notará un aumento dramático en el intervalo entre eventos en la nave espacial. Desde el punto de vista del observador estacionario, todo a bordo de la nave espacial, incluido el astronauta, parecerá moverse a cámara lenta a medida que la nave espacial se acerca a la velocidad de la luz. Sin embargo, desde el punto de vista del astronauta, ya que el intervalo entre los estados cuánticos de las partículas cuánticas constituyentes de todo en la nave espacial (incluido el astronauta) habrá aumentado proporcionalmente, no será evidente ningún cambio en el intervalo entre los eventos dentro de la nave espacial.

¿Qué le sucede a un objeto cuando se acerca a la velocidad de la luz?
Cuanto más se acerca un objeto a la velocidad de la luz, menos predecibles son las consecuencias de una reducción en la frecuencia de eventos cuánticos dentro de las partículas cuánticas constituyentes.

A medida que un objeto se acerca a la velocidad de la luz, la velocidad promedio (o momento angular) de sus partículas cuánticas constituyentes se aproxima a cero, lo que a su vez reduce la frecuencia de eventos cuánticos dentro del objeto a casi cero. A medida que las partículas cuánticas se juntan más y los eventos cuánticos prácticamente dejan de ocurrir, el objeto se reduce en tamaño tendiendo hacia una región de espacio infinitamente pequeña e infinitamente densa donde la probabilidad de que ocurran eventos tiende a cero.

Suponiendo que los cambios en las interacciones cuánticas provocados por la velocidad creciente del objeto son precisamente proporcionales y simétricos en términos de la energía relativa y las posiciones de las partículas cuánticas dentro del espacio cuántico, es concebible que las características del objeto que contiene el cuanto las partículas permanecerán sin cambios en su marco de referencia. Es más probable que los cambios en las interacciones cuánticas no sean precisamente proporcionales o simétricos, en cuyo caso a una velocidad cercana a la de la luz, la estructura del objeto sufrirá un cambio fundamental que lo hará irreconocible a partir de sus características anteriores. Tales cambios fundamentales pueden impedir que un astronauta viaje a velocidades cercanas a la luz.

La tendencia hacia la densidad infinita para un objeto que viaja a una velocidad cercana a la de la luz impide que alcance la velocidad de la luz, ya que la aceleración adicional requerida requeriría una cantidad infinita de energía. Sin embargo, dado que los fotones con una masa de cero pueden producirse a partir de interacciones cuánticas, es concebible que, bajo ciertas condiciones, una cantidad finita específica de energía aplicada al objeto pueda causar que algunas o todas las partículas cuánticas constituyentes del objeto se conviertan en fotones que luego viajarían a la velocidad de la luz.

Las consecuencias de la inexistencia del tiempo.
El tiempo y la medición precisa del tiempo para sincronizar eventos parecen esenciales para el funcionamiento eficiente del género humano en su etapa actual de evolución. Entonces, incluso si el tiempo no existe en ningún sentido real, es completamente racional que los seres humanos continúen haciéndolo referencia.

Es contrario a la intuición para un ser humano imaginar cualquiera de las siguientes condiciones:

1. No existencia total, sin espacio, sin importar, sin tiempo

2. Espacio infinito, materia infinita, tiempo infinito.

Si bien cualquiera de estas condiciones podría ser posible, el cerebro humano parece predispuesto a asumir condiciones finitas. Esto se debe probablemente a que nuestras experiencias sensoriales se basan en nuestra experiencia de objetos finitos en un mundo finito y, en particular, en la transición de la vida a la muerte. El cerebro humano es claramente capaz de postular lo que está más allá de su capacidad de imaginar coherentemente. Esto es evidente en el caso de postulaciones sobre dimensiones adicionales (ocultas) en el universo y, por supuesto, con la noción de tiempo y dilatación del tiempo.

El razonamiento nos diría que la condición de no existencia total no es verdadera ya que podemos observar el universo. ¡Incluso si el universo fuera una gran ilusión, tendría que haber algo allí para que exista y se perciba una ilusión! El hecho de que la no existencia total no sea verdadera lleva a la inevitable conclusión de que algo (espacio y / o materia) siempre debe haber existido. es decir, no es racionalmente posible pasar de condiciones donde nada existe a condiciones donde algo existe.

Si el razonamiento nos dice que algo (espacio y / o materia) debe haber existido siempre, entonces comenzamos a tener problemas con el tiempo tal como lo entendemos. Si siempre ha existido algo (es decir, durante una cantidad de tiempo infinita), ¿cómo podría el universo haber llegado a un punto finito en el tiempo sin una cantidad infinita de tiempo en el medio?

Como el razonamiento nos dice que algo debe haber existido siempre, el problema debe ser uno de los siguientes:

1. El razonamiento humano en sí mismo es defectuoso

2. El tiempo no existe en ningún sentido real

Sin un árbitro independiente, ambas situaciones deben considerarse igualmente plausibles.

Al suponer que el tiempo no existe en ningún sentido real, eliminamos todas las anomalías asociadas con el tiempo. El universo puede considerarse como materia cuántica y energía en un estado permanente de interacción que resulta en eventos observables sin la necesidad de una línea de tiempo.

El Big Bang
Existe evidencia significativa de que el universo observable es el resultado de un evento cósmico (“el Big Bang”) que tuvo lugar aproximadamente 14 mil millones de años en el pasado. Se ha postulado que todo el espacio, la materia y el tiempo surgieron con este evento, pero sin ninguna explicación de cómo la singularidad que causó el evento podría haber existido sin tiempo o espacio para existir antes del evento.

Ciertamente es más intuitivo sugerir que el evento Big Bang dio lugar a todo el espacio y la materia en el universo observable, pero sin ninguna referencia al tiempo.

El postulado de que el tiempo comenzó en el evento Big Bang implica que la singularidad había estado presente durante una cantidad infinita de tiempo antes del Big Bang, lo que habría permitido que ocurriera cada evento concebible dentro de la singularidad, incluido el evento que desencadenó el Big Golpearse a sí mismo.

Incluso al prescindir de la noción del tiempo, el evento Big Bang debe haber sido desencadenado por una secuencia finita de eventos dentro de la singularidad. Se deduce (al menos mediante el razonamiento humano) que debe haber habido eventos previos al Big Bang y que la singularidad no siempre pudo haber sido una singularidad.

Esta es una muy buena pregunta. La respuesta es proporcionada por Quantum Field Theory, y solo por QFT; En las teorías de partículas, las ecuaciones pueden derivarse, pero sus significados no tienen sentido. En QFT, ambos efectos (contracción y dilatación del tiempo) se deben a la velocidad de propagación finita de los campos, y el efecto de desaceleración es lo suficientemente fuerte como para superar el efecto de contracción. (La pregunta gravitacional es un poco más difícil). La razón principal por la que escribí mi libro “Campos de color: la teoría que escapó de Einstein” fue para mostrar cómo QFT explica las paradojas de la relatividad y la mecánica cuántica. Insto a todos los interesados ​​a que lean al menos el capítulo. 10, que está disponible gratis aquí. Aquí está el resumen de Cap. 7 sobre Relatividad Especial “:

La teoría de la relatividad especial formulada por Einstein en 1905 se basó en el postulado de que las leyes de la física son las mismas independientemente del estado de movimiento del observador, siempre que sea uniforme. Esto se conoce como el Principio de Relatividad, del cual se derivan muchos efectos extraños. Si bien estos comportamientos parecen paradójicos, tienen mucho sentido cuando se ven como resultado del comportamiento de los campos:
· Los objetos se contraen cuando se mueven porque el movimiento afecta la interacción de los campos que mantienen unido al objeto. El espacio mismo se contrae porque el espacio está hecho de campos.
· Las cosas suceden más lentamente en un sistema en movimiento porque los campos que interactúan deben recorrer una distancia mayor (a pesar de la contracción).
· Nada puede ir más rápido que la luz porque todo está hecho de campos que se propagan a una velocidad finita determinada por las ecuaciones de campo.
· La masa aumenta con la velocidad porque la masa significa que la resistencia a la aceleración y la aceleración más allá de la velocidad de la luz son imposibles.

Yo llamo a esto el enfoque de abajo hacia arriba . Aunque la mayoría de los físicos prefieren comenzar con el Principio de Relatividad (enfoque de arriba hacia abajo ), el método de abajo hacia arriba proporciona una idea de por qué suceden estas cosas extrañas. Incluso el Principio de Relatividad se desprende del enfoque ascendente. De cualquier manera, uno debe hacer frente a una realidad Rashomon en la que los observadores en sistemas que se mueven de manera diferente ven la misma realidad de diferentes maneras.

La relatividad especial nos permite tener muchos puntos de vista diferentes y no conflictivos. También puede considerarlo como un espacio que se expande en la dirección de desplazamiento, como lo observa el viajero en la embarcación en movimiento, debido a la diferencia de tiempo entre el frente y la espalda, como lo observa el observador ‘estático’, ignorando temporalmente la contracción de la longitud observada. , medido por este observador.

Para esto, puede hacer un experimento mental con un reloj de luz de Einstein que rebota fotones entre dos espejos, donde cada rebote es una señal del reloj. Normalmente, esto solo muestra que el tiempo va más lento como se observa fuera de una embarcación en movimiento, debido a la diagonal más larga que viaja la luz, mientras se mantiene la velocidad constante de la luz, con el reloj moviéndose de lado de esta manera;

Pero en este ejemplo lo usamos de lado con la parte superior en la dirección de desplazamiento. Para un observador ‘estático’, fuera de la embarcación inerte, la luz que va de atrás hacia adelante llegará al frente móvil más tarde que la luz que va de adelante hacia atrás. Y dado que el tiempo se define por la velocidad de la luz (o mejor: el espacio-tiempo se define por la constante universal c, que los fotones simplemente necesitan seguir, para no tener una masa en reposo), el reloj de luz siempre representará el tiempo para ese marco particular de referencia, no importa cómo gire el reloj de luz, por lo que este desequilibrio temporal de la luz que viene de adelante o atrás es lo que causa la diferencia horaria entre adelante y atrás. Pero el observador dentro de la embarcación que viaja medirá esta diferencia de tiempo entre el frente y la espalda como espacio en expansión en esa dirección, en comparación con la longitud de la embarcación contraída que se mide desde el exterior de la embarcación.

El tiempo y el espacio están muy relacionados precisamente de esta manera. La diferencia de tiempo es la diferencia de espacio, dependiendo del observador. Por lo tanto, un segundo de luz es algo parecido a un segundo. Si utilizamos unidades de distancia natural en segundos de luz, c sería 1, y E = mc ^ 2 sería simplemente E = m, por lo que no habría necesidad de una unidad de traslación de medida entre masa y energía, que realmente son exactamente las mismas cosa.

Como el tiempo y el espacio son relativos al observador, lo mismo puede decirse al revés, donde el viajero es visto como estático y todo lo demás a su alrededor está en movimiento.
Hasta ahora hemos ignorado por qué el espacio se mide como contraído por el observador externo, con este razonamiento aparentemente circular. La razón es que es mejor no pensar en la contracción del espacio o la dilatación del tiempo al acelerar, en comparación con algún otro marco de referencia, sino pensar al revés: todo el espacio y el tiempo se expanden de la nada , para aquellas partículas que son interactuando con los Higgs, ya que ya no pueden seguir a c, por tener una masa en reposo. Por supuesto, realmente no sabemos por qué el tiempo y el espacio surgen de esto con sus 4 dimensiones: las preguntas de “por qué” son a menudo frustrantemente irrefutables o sin sentido …

Comprenda que siempre medimos todo con nuestras unidades de medidas creadas en el espacio-tiempo (que es todo lo que tenemos a nuestra disposición) , utilizando nuestras herramientas de medición creadas en el espacio-tiempo (materia interactuante de Higgs), que siempre medirá c como constante, ya que se está midiendo a sí misma de alguna manera.

Por supuesto, es mucho más natural para nosotros pensar en ello como lo hacemos habitualmente: materia que sufre dilatación del tiempo y contracción de la longitud, como se ve desde algún otro marco de referencia espacio-temporal. Esto se debe en parte a que el espacio-tiempo sin dilatar y sin dilatar es el ámbito familiar al que estamos acostumbrados: la materia muy rápida, con longitud contraída y dilatada en el tiempo nos resulta muy desconocida.
Pero la razón más importante por la que normalmente no pensamos en nosotros mismos como longitudes y tiempo expandido es porque no tenemos un marco de referencia en c, usando nuestras unidades de medidas creadas en el espacio-tiempo, por lo que realmente no hay nada que calcular desde ese punto de vista para nosotros. Estamos atrapados aquí con la comparación de marcos de referencias …

Sin embargo, nuestra norma familiar está lejos de ser la situación más neutral: las partículas que no interactúan con el Higgs, que por sí mismas no están ‘experimentando’ ningún tiempo y espacio, yendo muy rápido a la velocidad de la luz para nosotros, como se ve desde nuestro espacio-tiempo, son en realidad, mucho más en reposo, que las partículas que pueden parecernos ‘estáticas’, pero que en realidad están interactuando frenéticamente con el Higgs, lo que da como resultado una mayor cantidad de energía, que esas partículas a la velocidad del rayo que el Higgs no toca.

Así que, considerándolo como una cuestión que aumenta la longitud y el tiempo desde la situación neutral (imposible) de ir a c, y cuando se acerca relativamente a ella, como se ve desde algún otro marco de referencia, pero nunca llega realmente a ella, por tener un descansar en masa, lo hará relativamente más contraído y dilatado . Pero eso es solo una perspectiva relativa, ya que la masa / energía en reposo obtenida de la interacción de Higgs nunca se deshará de esa manera.

Hay algo que se conserva localmente, cuando el espacio se “contrae” y el tiempo se “dilata”, y se llama intervalo o el tiempo apropiado. Es una combinación del espacio y la separación temporal de dos eventos que están muy juntos, está escrito:

[matemáticas] ds ^ 2 = c ^ 2 dt ^ 2 – dx ^ 2 [/ matemáticas]

Ahora, bajo ciertos tipos de transformaciones o curvaturas del espacio-tiempo, que dejan el intervalo sin cambios, es posible cambiar tanto t como x. Pero dado que la velocidad de la luz [matemática] c [/ matemática] es localmente la misma, requiere que se mantenga el intervalo entre eventos locales, y eso es lo que requiere que el espacio y el tiempo se comporten de manera opuesta, cuando se miden desde diferentes marcos de referencia .

Para obtener la dilatación del tiempo, solo considere un marco en el que [math] x = vt [/ math], y encontrará fácilmente [math] ds = dt / \ gamma [/ math].

Para obtener la contracción de la longitud, debe considerar un objeto de longitud l, para un observador en reposo con respecto a los dos puntos finales del objeto. Luego evalúa cómo se ven las cosas usando el marco de un observador en movimiento que se mueve en x = vt, usando la invariancia del intervalo: se deducirá que la longitud se contraerá para el observador en movimiento por el mismo factor [matemáticas] \ gamma [/ matemáticas] a medida que el tiempo se dilata.

Alternativamente, puede reconocer que el intervalo se conserva mediante una generalización hiperbólica del grupo de rotación en 2-D (que solo explica el signo – entre x y t en el intervalo). A partir de eso, se seguirán las diferentes propiedades de transformación de tiempo y espacio como eventos separados en un marco de referencia, cuando se ve desde otro marco de referencia en movimiento, o desde un marco de referencia que se encuentra más arriba o más abajo en un campo gravitacional.