¿Qué es exactamente el tiempo y el espacio?

En cuanto al espacio-tiempo, la comunidad científica lo llama la combinación de tiempo y espacio. La estructura espacio-temporal es un modelo conceptual que combina el espacio tridimensional y el tiempo cuatridimensional. Según las mejores teorías físicas actuales, el espacio-tiempo puede explicar los inusuales efectos relativistas que se producen a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y el movimiento de grandes objetos en el universo. Entonces, ¿quién descubrió esta misteriosa existencia?

¿Quién descubrió el tiempo y el espacio?

En realidad fue el famoso físico Einstein, quien descubrió el concepto de espacio-tiempo en su teoría de la relatividad. Según la NASA, antes de su innovador descubrimiento, los científicos tenían dos teorías diferentes para explicar los fenómenos físicos: las leyes de la física de Isaac Newton describían el movimiento de objetos masivos, y James, el modelo electromagnético de Clark-Maxwell, explica las propiedades de la luz.

Sin embargo, los experimentos realizados a finales del siglo XIX demostraron que la luz es realmente algo especial. En 1898, el físico y matemático francés Henri Poincaré especuló que la velocidad de la luz podría ser un límite insuperable. Casi al mismo tiempo, otros científicos también estaban considerando la posibilidad de que el tamaño y la masa de los objetos variaran con la velocidad.

El surgimiento de la relatividad especial

Einstein sintetizó todas estas ideas en su teoría de la relatividad especial propuesta en 1905, argumentando que la velocidad de la luz es una constante. Sin embargo, para que esta teoría se haga realidad, el espacio y el tiempo deben fusionarse en un único marco, garantizando que la velocidad de la luz sea la misma para todos los observadores****. La teoría de la relatividad especial de Einstein supone que la velocidad de la luz es constante, cuando en realidad la luz siempre viaja a la misma velocidad.

Si un objeto viaja a la velocidad de la luz, entonces el tiempo alrededor de él es casi estacionario. La misma teoría se aplica a objetos por debajo de la velocidad de la luz. Cuanto más rápida es la velocidad, más lento pasa el tiempo. Alguien que viaja en un cohete súper rápido se mueve más lentamente en el tiempo y la longitud de los objetos es más corta que alguien que viaja mucho más lento. Esto se debe a que el espacio y el tiempo son relativos y dependen de la velocidad del observador. Pero la velocidad de la luz es más absoluta y fundamental que el espacio y el tiempo.

La clave de la relatividad general: la gravedad

El propio Einstein no concluyó que el espacio y el tiempo sean una sola estructura; esta idea vino del matemático alemán Hermann Minko Hermann Minkowski: dijo en una conferencia académica en 1908: "A partir de ahora, el espacio y el tiempo están destinados a desaparecer en la pura sombra, y sólo una combinación de los dos puede mantener una realidad independiente". Por lo tanto, el espacio-tiempo que describió todavía se conoce como espacio-tiempo de Minkowski y es la base computacional para la relatividad y la teoría cuántica de campos.

Cómo funciona el espacio-tiempo

Hoy en día, cuando se habla de espacio-tiempo, se suele describir como una lámina parecida a la goma, es decir, un ser elástico. Este descubrimiento también provino de Einstein, quien, mientras desarrollaba su teoría general de la relatividad, reconoció que las curvas en el tejido del espacio-tiempo son causadas por la gravedad (la fuerza de gravedad). Algunas estrellas masivas, como el Sol, pueden causar distorsión del espacio-tiempo debido a su enorme masa, provocando que el espacio-tiempo se curve. Estas curvas, a su vez, limitan cómo se pueden mover todos los objetos en el universo, ya que los objetos deben moverse a lo largo de una curvatura curva. El movimiento causado por la gravedad es en realidad un movimiento a lo largo de la curvatura del espacio-tiempo.

En 2011, una misión de la NASA llamada Gravity Probe B (GP-B) midió la forma del vórtice espacio-temporal alrededor de la Tierra y descubrió que coincidía estrechamente con las predicciones de Einstein. Pero gran parte de esto sigue siendo difícil de entender para la mayoría de la gente. Si bien podríamos comparar el espacio-tiempo con un trozo de goma, la analogía finalmente fracasa. La analogía del caucho es sólo bidimensional, mientras que el espacio-tiempo es tetradimensional. Por tanto, este trozo de goma debe representar no sólo la distorsión del espacio, sino también la distorsión del tiempo, y es difícil para los físicos encontrar una ecuación que explique todos los fenómenos de tal complejidad. El astrofísico Paul Sartre bromeó diciendo que Einstein construyó una hermosa máquina, pero no nos dejó ningún manual de usuario ni instrucciones.

Con diferencia, la forma más sencilla de comprender la estructura del espacio-tiempo es pensar en él como una pieza curva de goma que guía todo lo que hay en el universo en su movimiento. Pero como se mencionó antes, esta analogía no es del todo exacta porque el espacio y el tiempo tienen cuatro dimensiones, mientras que un trozo de goma solo tiene dos.

La exploración aún está incompleta y la ciencia sigue avanzando

Aunque la relatividad todavía es bastante compleja para nosotros, sigue siendo la mejor teoría cuadrática para explicar los fenómenos físicos que conocemos. Sin embargo, los científicos saben que su modelo está incompleto porque la relatividad aún no es del todo consistente con la mecánica cuántica, que explica con mucha precisión las propiedades de las partículas subatómicas, pero no la gravedad. La base de la mecánica cuántica es que las diminutas partículas que componen el universo son discretas o cuantizadas. Entonces, las partículas que componen la luz, los fotones, son como pequeños fragmentos que aparecen de diferentes maneras.

Algunos teóricos han especulado que quizás el espacio-tiempo mismo exista en forma de estos fragmentos cuantificados, lo que podría ayudar a cerrar la brecha entre la relatividad y la mecánica cuántica. Investigadores de la Agencia Espacial Europea proponen la creación de un laboratorio internacional de astronomía de rayos gamma para llevar a cabo misiones de exploración cuántica en el espacio y el tiempo. La misión orbitará nuestro planeta y realizará mediciones ultraprecisas de explosiones poderosas y distantes llamadas estallidos de rayos gamma, revelando la naturaleza cercana del espacio-tiempo.

Por supuesto, una misión de este tipo no se lanzará hasta dentro de al menos 15 años, pero si lo hace, ayudará a resolver algunos de los mayores misterios de la física. El espacio-tiempo sigue siendo un tema de investigación importante para la humanidad ahora y en el futuro. Lamentablemente, el espacio-tiempo también se ha subdividido en temas más esquivos, incluido el espacio-tiempo absoluto, el espacio-tiempo relativo, etc., por lo que sabemos que existe. Son muchos, muchos más los que no sabemos. Algo que saber.