Pregúntele a Ethan: ¿Por qué el tiempo debería ser una dimensión?

El disparo cuadro por cuadro nos recuerda que las fotografías son imágenes tomadas en un lugar determinado en un momento determinado, y cada momento posterior difiere del anterior.

Cuando imaginamos las formas de moverse por el Universo, recordamos inmediatamente tres dimensiones. Derecha-izquierda, adelante-atrás y arriba-abajo: tres direcciones independientes de la red cartesiana. Todos ellos se consideran dimensiones espaciales. Pero a menudo hablamos de otra dimensión, de un tipo diferente: temporal. Pero, ¿qué hace que el tiempo sea una medida? Esta semana el lector hace la siguiente pregunta:

Siempre me sorprendió el continuo, que consta de 3 + 1 dimensiones, espacio y tiempo. ¿Por qué siempre escriben sobre tres dimensiones espaciales y una temporal?

Comenzamos estudiando las tres dimensiones del espacio que conocemos.


En la superficie de la Tierra, dos coordenadas, latitud y longitud, son suficientes para determinar la posición.

En la superficie de la Tierra, generalmente necesitamos dos coordenadas para determinar la ubicación: latitud y longitud, o posición a lo largo de los ejes dirigidos de norte a sur y de oeste a este. Si desea ir bajo tierra o elevarse por encima de la superficie, para describir su posición necesitará una tercera coordenada: altura / profundidad, o su posición a lo largo del eje vertical. Después de todo, si alguien está exactamente donde estás, en términos de latitud y longitud, pero al mismo tiempo está ubicado en un túnel subterráneo o en un helicóptero sobre tu cabeza, no puedes decir que está en el mismo lugar que tú. Se requieren tres datos independientes para describir su posición en el espacio.


Su posición en el Universo se describe no solo por coordenadas espaciales (dónde), sino también temporales (cuando)

Pero el espacio-tiempo es más complicado que solo el espacio. La posición de la silla en la que está sentado actualmente puede describirse mediante tres coordenadas: x, y y z. Pero ahora estás sentado en él, y hace una hora, ayer o hace diez años, esto no podría ser así. Para describir el evento, el conocimiento donde ocurre no es suficiente; Además, necesita saber cuándo, es decir, necesita una coordenada de tiempo, t. Por primera vez, esto jugó un papel importante en la teoría de la relatividad cuando discutimos el problema de la simultaneidad. Imagine dos lugares diferentes conectados por el camino en el que van dos personas, cada uno de su lugar, a otro.


Dos puntos conectados por un camino lineal unidimensional

Se puede imaginar su campaña colocando dos dedos de diferentes manos en dos puntos de partida y dibujándolos hacia el objetivo. En algún momento, tendrán que cruzarse, es decir, sus dedos estarán en un lugar al mismo tiempo. En la teoría de la relatividad, esto se conoce como un evento simultáneo, y solo puede ocurrir cuando todos los componentes espaciales y todos los componentes temporales de dos objetos físicos diferentes coinciden.

No hay nada contradictorio en esto, y esto explica por qué debemos considerar el tiempo como la dimensión en la que nos movemos, al igual que cualquiera de las dimensiones espaciales. Pero fue el STO de Einstein lo que llevó a su antiguo profesor, German Minkowski, a desarrollar una teoría que combina tres dimensiones espaciales y una temporal.


Ya sea que el espacio sea plano o curvo, el viaje espacial afecta el viaje en el tiempo

Entendemos que para moverse en el espacio necesita moverse en el tiempo; Si en este momento estás aquí, no puedes estar en otro lugar al mismo tiempo, puedes llegar allí más tarde. En 1905, el STO de Einstein nos enseñó que la velocidad de la luz es el límite universal de velocidad, cuando te acercas, comienzas a experimentar fenómenos extraños de dilatación del tiempo y acortamiento de distancias. Pero el mayor avance se produjo en 1907, cuando Minkowski se dio cuenta de que la sorprendente conclusión se desprende de la relatividad de Einstein: desde un punto de vista matemático, el tiempo se comporta como el espacio, con la excepción de c, la velocidad de la luz en el vacío, e i, una unidad imaginaria √ ( -1).


Un ejemplo de un cono de luz, una superficie tridimensional de todos los rayos de luz posibles que llegan a un punto en el espacio-tiempo y emanan de él.

Si agrega todos estos descubrimientos juntos, obtendrá una nueva imagen del Universo asociado con nuestro movimiento en su marco:

• Si no te mueves y te quedas en el mismo lugar en el espacio, te mueves en el tiempo a la máxima velocidad.
• Cuanto más rápido te mueves en el espacio, más lento te mueves en el tiempo y más cortas aparecen las distancias espaciales en tu dirección de movimiento.
• Si no tiene masa, solo puede moverse a la velocidad de la luz, moviéndose instantáneamente en la dirección de su movimiento, sin ningún paso del tiempo. [más precisamente, desde el punto de vista de una partícula sin masa, no se mueve y el tiempo no se mueve - aprox. perev.]


Para un observador inmóvil, el tiempo va bien, y para un movimiento rápido en el espacio, el reloj va más lento que para un inmóvil.

Desde un punto de vista físico, las consecuencias son asombrosas. Esto significa que todas las partículas sin masa son inherentes a la estabilidad, ya que no hay flujo de tiempo para ellas. Esto significa que las partículas inestables como el muón creado en la atmósfera superior pueden alcanzar la superficie de la Tierra, a pesar de que al multiplicar su vida útil (2.2 μs) por la velocidad de la luz, obtenemos una distancia de 660 metros, que es mucho menos el camino que deben seguir Y esto significa que si tomas un par de gemelos idénticos, dejas uno en la Tierra y envías al otro en un viaje relativista al espacio, entonces el segundo gemelo será más joven que el primero al regresar, ya que pasará menos tiempo para él.


Mark y Scott Kelly en el Centro Espacial Johnson. Uno de ellos pasó un año en el espacio y envejeció un poco menos, mientras que el otro permaneció en la Tierra.

Como Minkowski escribió en 1908:

Las teorías de la esencia del espacio y el tiempo que quiero demostrarles han crecido sobre la base de la física experimental, de donde proviene su fuerza. Son radicales De ahora en adelante, el espacio en sí mismo y el tiempo en sí mismo están condenados a convertirse en sombras, y solo su unificación seguirá siendo una realidad independiente.

Hoy en día, la formulación del espacio-tiempo es aún más general, incluye la curvatura inherente al espacio: así es como se generaliza STO. Pero la razón por la cual el tiempo tiene la misma dimensión que el espacio es porque nos movemos constantemente a través de él, y lo escribimos en forma de "3 + 1" (y no solo 4) porque aumentar el movimiento a través del espacio reduce el movimiento a través del tiempo y viceversa.


La cámara predice el movimiento de un objeto en el tiempo, una de las aplicaciones prácticas de la idea del tiempo como medida



Es interesante que todos, independientemente de su movimiento a través del espacio en relación con todos los demás, vean las mismas reglas, las mismas acciones y consecuencias. Si el tiempo no fuera tal dimensión, las leyes de la relatividad no funcionarían, y el concepto de espacio absoluto podría justificarse. Para que la física funcione de la manera en que funciona, necesitamos tiempo para tener la propiedad de medición, y el Universo nos proporciona constantemente tales fenómenos.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].