Relatividad (física): ‘El espacio-tiempo es como un tejido de espacio y tiempo unidos’. Esta declaración no tiene sentido para mí. ¿Cómo puedo imaginar una masa doblando la ‘tela’ del espacio-tiempo?

A lo largo del siglo XIX, se presumía ampliamente que la luz se propagaba a través de un medio llamado éter luminífero. Este éter era algo extraño: tenía que ser muy rígido para dar cuenta de la gran velocidad de la luz, pero no podía causar ningún arrastre en los planetas.

En 1905, Einstein introdujo lo que ahora se conoce como relatividad especial en la que declaró el éter “superfluo”. Argumentó que la luz no necesitaba ningún medio, viajó a través del espacio vacío.

Más tarde, la Relatividad general introdujo el concepto de un campo tensor métrico (o simplemente campo métrico) de espacio. Este campo métrico es muy diferente a un campo eléctrico o un campo magnético o cualquier otro tipo de campo. Estos otros campos existen en el espacio, mientras que el campo métrico es una característica del espacio mismo. Entonces, por ejemplo, la gravedad no afecta directamente a los objetos que se mueven a través del espacio, sino que afecta el espacio a través del cual se mueven los objetos.

Se puede decir que este campo métrico asigna propiedades a cada punto en el espacio-tiempo, que es lo que se conoce como la ‘estructura’ del espacio-tiempo. Esencialmente, Einstein recreó una nueva forma de éter. En GR, el campo métrico es completamente abstracto: la teoría no aborda qué o cómo es o funciona el campo métrico. Simplemente es

Imagina el espacio como algo real, como el agua.

Este globo de agua está flotando en una gran cuadrícula 3D, como solía dibujar en la clase de geometría. La cuadrícula se llama espacio vectorial. Dentro de esa gota está el universo. Ahora, en este modelo, todo está aquí excepto el movimiento. Para describir el movimiento, debes agregar tiempo. Hay movimiento dentro del blob que causa la experiencia del tiempo para los objetos dentro del universo. Luego está el movimiento del universo en relación con otros objetos que colocas en esa cuadrícula. Este es el tiempo relativo entre universos. Están desvinculados, excepto en el sentido de que si detiene el tiempo en un marco de referencia, afecta el espacio en ambos. Detenga el tiempo dentro del universo y de repente la forma y el movimiento del universo en relación con el observador externo se vuelven estáticos. Detenga el tiempo en relación con los universos externos, y el espacio una vez más se vuelve estático. Uno es interdependiente del otro para la existencia continua. Detén el tiempo y todas las cosas cesan. Elimine el espacio y no hay nada a lo que atribuir el valor del tiempo.

Deje de pensar en el espacio-tiempo como un medio físico, eso es todo: es solo un fondo matemático virtual que en su mayoría exhibe un comportamiento aparente de cuatro dimensiones en la mayoría de los casos. Brevemente, proporciona métricas virtuales dependientes del observador para relacionar causalmente algo que sucede “aquí” y “allí”.

Nada está realmente doblado, solo estas métricas virtuales están ligeramente ajustadas en presencia de masa, aunque no sabemos por qué: la relatividad general le brinda un modelo descriptivo de cómo sucede, nada más. Y ni la masa ni el espacio-tiempo que conocemos realmente, son solo modelos matemáticos que están bastante de acuerdo con las observaciones realizadas sobre cómo la materia se comporta relativamente en nuestro entorno.

Voy a darle la analogía de la pelota y la lámina de goma con un giro diferente. La hoja tiene dos dimensiones (lo llamaremos el plano xy ). En el caso habitual, la gravedad actúa sobre la bola y deprime la hoja: la bola debe tener peso para distorsionar la hoja, pero el peso es algo que proviene de la gravedad que actúa sobre una masa, por lo que necesita gravedad para crear gravedad, mala similitud .

Considere en cambio que la bola tiene masa, no hay campo de gravedad y, por lo tanto, no hay deformación de la lámina: el eje de tiempo es z (vertical). Ahora, dos personas cada una agarran una esquina de la hoja y la aceleran hacia arriba en la dirección z – la hoja de goma está distorsionada por la masa inercial de la pelota – aún no hay un campo gravitacional per se, pero el espacio y el tiempo se ven afectados en la vecindad de la pelota (hay una depresión en la dirección -z), pero no hay campo gravitacional: esta es la esencia del “Principio de equivalencia de Einstein, la masa inercial y la masa gravitacional son una en la misma (Einstein no lo dijo de esa manera , pero yo soy).

El tiempo corre lento en el espacio cerca de la pelota y la depresión dZ de la lámina de goma a cualquier distancia del centro de la pelota indica qué tan lenta es su carrera en relación con un reloj fuera de la depresión (por afuera se entiende una distancia donde el efecto de la masa es insignificante). El estiramiento de la lámina de goma en la dirección xy es la distorsión del espacio. La depresión en la dirección vertical z es el cambio temporal en la velocidad a la que pasa el tiempo para el reloj atrapado en el campo de reactancia inercial de la pelota que experimenta una aceleración continua en la dirección z .

Ahora Einstein postuló la distorsión del espacio cerca de la masa, pero nunca identificó qué causaba que la materia inerte deformara el espacio estático. Hoy sabemos que el espacio no es estático.

Me gusta ver el tiempo como temperatura para indicar el paso del tiempo. Como saben, la temperatura y el tiempo son parientes de la entropía. El punto es que es igualmente válido decir que la curvatura del espacio-tiempo significa que la estructura del espacio se está doblando o que la línea en un gráfico que afecta el tiempo es. Piense en The Matrix, no dobla la cuchara, ya que la gravedad no dobla geométricamente el universo, son usted y su trayectoria lo que se dobla, incluido SU tiempo.

La idea detrás de la analogía de la hoja es que tres dimensiones del espacio son perpendiculares entre sí. Puede visualizarlos en su cabeza porque ha evolucionado biológicamente a lo largo de los eones para imaginar en tres dimensiones. Ahora, la dimensión del tiempo es perpendicular a estas tres dimensiones también, dándonos una cuarta dimensión. Ahora, tenemos cuatro dimensiones, solo tres de las cuales podemos visualizar. ¿Asi que que hacemos? Tomamos las tres dimensiones espaciales y lo llamamos espacio. Ahora podemos imaginar un plano donde las dimensiones espaciales y temporales son perpendiculares entre sí. Esto se llama la tela.

Yo diría que debería verse así. Este es un par de ilustraciones que representan la relación entre la masa y el paso del tiempo. El plano bidimensional representa el presente a través del espacio abierto. Las inclinaciones y declinaciones representan tasas variables de paso del tiempo como + o -.

Este es un concepto difícil, y tratar de visualizarlo es aún más difícil.
No se sienta mal, no tiene sentido para las personas que lo entienden profundamente, tampoco pueden “visualizarlo”. (Inclúyame en el grupo que está asombrado por él). Lo entienden intelectualmente y matemáticamente, pero es casi imposible “entenderlo” en un nivel intuitivo.
Desearía poder decirte cómo “hacerlo” mejor, no puedo. Estamos en buena compañia.