Una de las consecuencias más poco intuitivas de la teoría de la relatividad de Einstein es que no hay espacio absoluto o tiempo absoluto. Si preguntas dónde y cuándo estás, responderás. Pero si usted y yo nos dispersamos a larga distancia, y le pregunto dónde y cuándo, como usted piensa, estoy, entonces nuestras respuestas no necesariamente coincidirán. Resulta que en la teoría general de la relatividad no existe un método universal para determinar el espacio y el tiempo (y las distancias) que no sea el lugar donde se encuentra. Como resultado, tenemos muchas formas de definir tales cosas, y es con esto que se conecta la pregunta del lector:
Me gustaría ver su explicación del tiempo conforme y la distancia asociada: qué es, cuándo y cómo se utilizan en comparación con el tiempo y la distancia habituales.
Usando conceptos tales como "tiempo" y "distancia" en el habla ordinaria, hacemos muchas suposiciones, en las que rara vez pensamos.
Si crees que puedes decirme dónde estoy, la hora del día son las 10:05 de la mañana y estoy a 700 metros de ti, es posible que no entiendas en qué base confías en tus estimaciones. Asume que nuestros relojes funcionan a la misma velocidad, que provienen del mismo lugar donde acordamos el valor del tiempo y que cuando volvamos a unir el reloj, también serán coherentes entre sí. Es simple, ¿no es así?
Pero esto es posible solo si se cumplen dos condiciones importantes:
1. Nada se mueve en relación con todo lo demás. Si dos objetos adquieren velocidad uno con respecto al otro, experimentan un curso de tiempo diferente (y una sensación de distancia). Las partículas inestables que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz parecen vivir más tiempo debido al estiramiento del tiempo, y los astronautas a bordo de la EEI, que se mueven rápidamente alrededor de la Tierra, envejecen de manera un poco diferente a las personas que están inmóviles en la Tierra.
2. El espacio es absolutamente plano, lo que nunca sucede. La relatividad general funciona en el Universo, y según él, la existencia de materia y energía significa que el espacio es curvo y que el reloj va a diferentes velocidades dependiendo de la profundidad de inmersión en el campo gravitacional. El reloj en la parte superior del Empire State Building cada año se retrasa unos microsegundos desde el reloj a sus pies.
Las mismas restricciones se aplican a las distancias: el movimiento y la curvatura del espacio hacen imposible que los observadores en diferentes lugares adopten un estándar de distancia universal. Pero para distancias realmente grandes, algo más comienza a jugar un papel: el hecho de la expansión de la estructura misma del espacio del Universo en escalas cósmicas. Ya no podemos hablar de las distancias entre las galaxias como algo que puede ser medido por algún gobernante acordado, ya que el espacio entre las galaxias se expande con el tiempo. Y esto genera problemas cuando comenzamos a hablar, por ejemplo, sobre las galaxias más distantes del universo.
El actual poseedor del récord espacial de distancias se encuentra en un desplazamiento al rojo de 11.1, lo que significa que durante la existencia del Universo, a 13.8 mil millones de años del Big Bang, su luz nos alcanzó, después de haber recorrido 13.4 mil millones de años. ¿Pero qué tan lejos está esta galaxia de nosotros? Según el tiempo empleado en el camino, podría decidir que está a 13.400 millones de años luz de distancia, pero este no es el caso. Cuando la luz que nos llegó fue emitida por esta galaxia, no nos faltaban más de dos mil millones de años luz. Gracias a la expansión del Universo, nosotros, utilizando el estándar de medidas generalmente aceptado, podemos decir que ahora nos faltan 32 mil millones de años luz. El estándar de distancia universal es difícil de definir en un universo en expansión, en el que las distancias cambian con el tiempo.
Entonces, uno de los conceptos que presentamos al responder la pregunta de un lector es el concepto de diferentes tipos de distancias. Nos pregunta sobre uno de ellos, sobre la
distancia del asistente . Este es uno de mis conceptos favoritos: implica que las distancias en el universo cambian debido a la expansión de Hubble, por lo que excluye la extensión de los cálculos. Es muy conveniente para simular la formación de estructuras del Universo como estrellas, galaxias, cúmulos e hilos. La gravedad, por supuesto, está contribuyendo, pero el Universo se ha expandido todo este tiempo. Al saber cómo ajustar las distancias para la expansión, podemos ver cómo evolucionan las estructuras a gran escala del Universo. Observar esto visualmente es mucho más interesante que observar la expansión del Universo e intentar discernir en todo esto el proceso de formación de la estructura.
Dado que el espacio y el tiempo están inextricablemente vinculados al concepto de espacio-tiempo que los une, necesitamos un nuevo concepto de tiempo, correspondiente a cada uno de los nuevos conceptos de distancias que inventamos. El tiempo conforme será el socio temporal de la distancia que lo acompaña. Si mágicamente pudiéramos congelar instantáneamente toda la expansión del Universo en todos los lugares, entonces el tiempo conforme corresponde a la cantidad de tiempo que un rayo de luz tarda en viajar desde un lugar determinado hacia usted.
Para la galaxia más distante del Universo, el tiempo conforme será de 32 mil millones de años. Para la distancia percibida del Big Bang, serán 46 mil millones de años. Y esto a pesar del hecho de que han pasado 400 millones de años desde el Big Bang hasta la emisión de luz por parte de la primera galaxia. En las primeras etapas, la expansión del Universo fue tan rápida, y el resultado todavía se siente hoy, que la diferencia de 14 mil millones de años de tiempo conforme corresponde a la diferencia de 400 millones de años de tiempo "correcto" (que simplemente llamamos "tiempo").
Si hablamos de eventos que ocurren en la Tierra, donde nada se mueve con velocidades cercanas a la luz y no cambia demasiado en el campo gravitacional, entonces los diferentes tipos de "distancias" y "tiempos" coincidirán. Pero si hablamos del Universo en expansión en una escala cósmica, entonces la distancia correcta y el tiempo correcto pueden no ser tan útiles e interesantes como la distancia y el tiempo conforme correspondientes. Y la próxima vez que vea una simulación del Universo y vea que el Universo no parece expandirse, tenga en cuenta que la simulación se lleva a cabo utilizando las distancias asociadas, aunque puede usar el tiempo correcto.
Y cuando escuche algo sobre un objeto muy distante, ubicado a una distancia de menos de 14 mil millones de años luz de nosotros, tenga en cuenta que lo más probable es que estemos hablando de una distancia que lo acompaña. Según nuestras reglas habituales y correctas, ¡es probable que esta distancia sea mucho mayor!