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¿Qué es el espacio-tiempo?

Una explicación simple del espacio-tiempo.

Imagen del rastro de la estrella de la exposición larga tomada en la montaña de Hehuan, Taiwán.
El espacio-tiempo es el modelo conceptual que mejor explica cómo funciona el universo.
(Imagen: © Shutterstock)

La estructura del espacio-tiempo es un modelo conceptual que combina las tres dimensiones del espacio con la cuarta dimensión que es el tiempo. Según la mejor de las teorías físicas actuales, el espacio-tiempo explica los efectos relativistas inusuales que surgen de viajar cerca de la velocidad de la luz, así como del movimiento de objetos masivos en el universo. 

¿Quién descubrió el espacio-tiempo? 

El famoso físico Albert Einstein ayudó a desarrollar la idea del espacio-tiempo como parte de su teoría de la relatividad. Antes de su trabajo pionero, los científicos tenían dos teorías separadas para explicar los fenómenos físicos: :as leyes físicas de Isaac Newton describían el movimiento de los objetos masivos, mientras que los modelos electromagnéticos de James Clerk Maxwell explicaban las propiedades de la luz.

Pero los experimentos realizados a fines del siglo XIX sugirieron que había algo especial en la luz. Las mediciones mostraron que la luz siempre viajaba a la misma velocidad, sin importar qué. Y en 1898, el físico y matemático francés Henri Poincaré especuló que la velocidad de la luz podría ser un límite inmejorable. Alrededor de ese mismo tiempo, otros investigadores estaban considerando la posibilidad de que los objetos cambiaran de tamaño y masa, dependiendo de su velocidad.

Einstein reunió todas estas ideas en su teoría de la relatividad especial de 1905, que postulaba que la velocidad de la luz era constante. Para que esto sea cierto, el espacio y el tiempo tuvieron que combinarse en un solo marco que conspiró para mantener la velocidad de la luz igual para todos los observadores. 

Representación artística de viajar en el espacio a la velocidad de la luz.
La teoría de la relatividad especial de Einstein postuló que la velocidad de la luz era constante porque la luz siempre viaja a la misma velocidad.  (Crédito de la imagen: Shutterstock)

Una persona en un cohete superrápido medirá el tiempo más lentamente y la longitud de los objetos serán menores en comparación con una persona que viaja a una velocidad mucho más lenta. Esto se debe a que el espacio y el tiempo son relativos: dependen de la velocidad del observador. Pero la velocidad de la luz es más fundamental que cualquiera. 

La conclusión de que el espacio-tiempo es un tejido único no fue algo que Einstein deduzco solo. Esa idea surgió del matemático alemán Hermann Minkowski, quien dijo en un coloquio de 1908: "En adelante, el espacio en sí mismo y el tiempo en sí mismo están condenados a desvanecerse en meras sombras, y solo una especie de unión de los dos preservará una realidad independiente ".

El espacio-tiempo que describió todavía se conoce como espacio-tiempo de Minkowski y sirve como telón de fondo de los cálculos tanto en la relatividad como en la teoría del campo cuántico. Este último describe la dinámica de las partículas subatómicas como campos, según el astrofísico y escritor científico Ethan Siegel.

Cómo funciona el espacio-tiempo:

Hoy en día, cuando las personas hablan sobre el espacio-tiempo, a menudo lo describen como una lámina de caucho. Esto también proviene de Einstein, quien se dio cuenta al desarrollar su teoría de la relatividad general de que la fuerza de la gravedad se debía a las curvas en la estructura del espacio-tiempo. 

Los objetos masivos, como la Tierra, el Sol o usted, crean distorsiones en el espacio-tiempo que hacen que se doble. Estas curvas, a su vez, constriñen las formas en que todo en el universo se mueve, porque los objetos tienen que seguir caminos a lo largo de esta curvatura deformada. El movimiento debido a la gravedad es en realidad un movimiento a lo largo de los giros y vueltas del espacio-tiempo. 

Una misión de la NASA llamada Gravity Probe B (GP-B) midió la forma del vórtice del espacio-tiempo alrededor de la Tierra en 2011 y descubrió que está muy de acuerdo con las predicciones de Einstein.

Pero gran parte de esto sigue siendo difícil para la mayoría de las personas. Aunque podemos discutir que el espacio-tiempo es similar a una lámina de caucho, la analogía finalmente se rompe. Una lámina es bidimensional, mientras que el espacio-tiempo es cuatridimensional. La hoja representa no solo deformaciones en el espacio, sino también deformaciones en el tiempo. Las ecuaciones complejas utilizadas para dar cuenta de todo esto son difíciles de manejar incluso para los físicos. 

Representación artística de un túnel o agujero de gusano sobre espacio-tiempo curvo.
La forma más sencilla de comprender la estructura del espacio-tiempo es imaginar una lámina de goma curva que dirija cómo se mueve todo en el universo. Pero la analogía no es del todo precisa porque el espacio-tiempo tiene cuatro dimensiones, mientras que una lámina de caucho solo tiene dos.  (Crédito de la imagen: Shutterstock)

Lo que los científicos aún no saben:

A pesar de su complejidad, la relatividad sigue siendo la mejor manera de dar cuenta de los fenómenos físicos que conocemos. Sin embargo, los científicos saben que sus modelos están incompletos porque la relatividad aún no se concilia completamente con la mecánica cuántica, lo que explica las propiedades de las partículas subatómicas con extrema precisión pero no incorpora la fuerza de la gravedad. 

La mecánica cuántica se basa en el hecho de que los pequeños bits que componen el universo son discretos o cuantificados. Entonces, los fotones, las partículas que forman la luz, son como pequeños pedazos de luz que vienen en paquetes distintos.

Algunos teóricos han especulado que tal vez el espacio-tiempo mismo también viene en estos fragmentos cuantificados, ayudando a unir la relatividad y la mecánica cuántica. Investigadores de la Agencia Espacial Europea han propuesto la misión del Laboratorio Internacional de Astronomía de Rayos Gamma para la Exploración Cuántica del Espacio-Tiempo (GrailQuest), que volaría alrededor de nuestro planeta y haría mediciones ultra precisas de explosiones distantes y poderosas llamadas explosiones de rayos gamma que podría revelar la naturaleza cercana del espacio-tiempo. 

Dicha misión no se lanzaría durante al menos una década y media, pero si lo hiciera, tal vez ayudaría a resolver algunos de los mayores misterios que quedan en la física. 

Este post pertenece a la serie "Cosas que deberías saber", puedes ver todos los posts aquí. 


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