Pergunte a Ethan: Por que o tempo deve ser uma dimensão?

O disparo quadro a quadro nos lembra que as fotografias são tiradas em um determinado local e em um determinado momento, e cada momento subsequente difere do anterior

Quando imaginamos as maneiras de se movimentar pelo Universo, lembramos imediatamente três dimensões. Direita esquerda, frente-trás e cima-baixo: três direções independentes da rede cartesiana. Todos eles são considerados dimensões espaciais. Mas frequentemente falamos sobre outra dimensão, de um tipo diferente: temporária. Mas o que faz do tempo uma medida? Nesta semana, o leitor faz a seguinte pergunta:

Sempre fiquei surpreso com o continuum, que consiste em 3 + 1 dimensões, espaço e tempo. Por que eles sempre escrevem sobre três dimensões espaciais e uma temporária?

Começamos estudando as três dimensões do espaço conhecidas por nós.


Na superfície da Terra, duas coordenadas, latitude e longitude, são suficientes para determinar a posição

Na superfície da Terra, geralmente precisamos de duas coordenadas para determinar a localização: latitude e longitude, ou posição ao longo dos eixos direcionados de norte a sul e de oeste a leste. Se você quiser ir para o subsolo ou subir acima da superfície, para descrever sua posição, precisará de uma terceira coordenada - altura / profundidade ou sua posição ao longo do eixo vertical. Afinal, se alguém está exatamente onde você está, em termos de latitude e longitude, mas ao mesmo tempo ele está localizado em um túnel subterrâneo ou em um helicóptero acima da sua cabeça - você não pode dizer que ele está no mesmo lugar que você. São necessárias três informações independentes para descrever sua posição no espaço.


Sua posição no Universo é descrita não apenas pelas coordenadas espaciais (onde), mas também temporariamente (quando)

Mas o espaço-tempo é mais complicado do que apenas o espaço. A posição da cadeira em que você está sentado pode ser descrita por três coordenadas - x, ye z. Mas agora você está sentado, e há uma hora, ontem ou dez anos atrás, isso não poderia ser assim. Para descrever o evento, o conhecimento onde ocorre não é suficiente; Além disso, você precisa saber quando, ou seja, precisa de uma coordenada de tempo, t. Pela primeira vez, isso teve um papel importante na teoria da relatividade, quando discutimos o problema da simultaneidade. Imagine dois lugares diferentes conectados pelo caminho em que duas pessoas vão, cada uma do seu lugar, para outra.


Dois pontos conectados por um caminho linear unidimensional

Sua campanha pode ser imaginada colocando dois dedos de mãos diferentes em dois pontos de partida e puxando-os em direção ao alvo. Em algum momento, eles terão que passar um pelo outro, ou seja, seus dedos estarão em um lugar ao mesmo tempo. Na teoria da relatividade, isso é conhecido como evento simultâneo e só pode acontecer quando todos os componentes espaciais e temporais de dois objetos físicos diferentes coincidem.

Não há nada de contraditório nisso, e isso explica por que precisamos considerar o tempo como a dimensão em que nos movemos, como qualquer outra dimensão espacial. Mas foi o STO de Einstein que levou seu ex-professor alemão Minkowski a desenvolver uma teoria que combina três dimensões espaciais e uma temporal.


Seja o espaço plano ou curvo, a viagem espacial afeta a viagem no tempo

Entendemos que para se mover no espaço, você precisa se mover no tempo; se neste momento você estiver aqui, não poderá estar em outro lugar ao mesmo tempo - poderá chegar lá apenas mais tarde. Em 1905, o STO de Einstein nos ensinou que a velocidade da luz é o limite universal de velocidade; quando você a aproxima, começa a experimentar fenômenos estranhos de dilatação do tempo e encurtamento de distâncias. Mas a maior descoberta ocorreu em 1907, quando Minkowski percebeu que a surpreendente conclusão se segue da relatividade de Einstein: de um ponto de vista matemático, o tempo se comporta exatamente como o espaço, com exceção de c, a velocidade da luz no vácuo ei, uma unidade imaginária √ ( -1).


Um exemplo de cone de luz, uma superfície tridimensional de todos os possíveis raios de luz que chegam a um ponto no espaço-tempo e emanam dele

Se você adicionar todas essas descobertas, terá uma nova imagem do universo associado ao nosso movimento em sua estrutura:

• Se você não se mover e permanecer no mesmo lugar no espaço, você se moverá no tempo na velocidade máxima.
• Quanto mais rápido você se move no espaço, mais lento se move no tempo e menores são as distâncias espaciais em sua direção de movimento.
• Se você não tem massa, você só pode se mover na velocidade da luz, movendo-se instantaneamente na direção do seu movimento, sem nenhuma passagem de tempo. [mais precisamente, do ponto de vista de uma partícula sem massa, ela não se move e o tempo não se move - aprox. perev.]


Para um observador imóvel, o tempo corre bem e, para um movimento rápido no espaço, o relógio passa mais devagar do que para um imóvel.

Do ponto de vista físico, as consequências são surpreendentes. Isso significa que todas as partículas sem massa são inerentes à estabilidade, pois não há fluxo de tempo para elas. Isso significa que partículas instáveis ​​como o múon criado na atmosfera superior podem alcançar a superfície da Terra, apesar de multiplicar sua vida útil (2,2 μs) pela velocidade da luz, obtemos uma distância de 660 metros, o que é muito menos o caminho que eles precisam seguir. E isso significa que se você pegar um par de gêmeos idênticos, deixar um na Terra e enviar o outro em uma viagem relativística ao espaço, o segundo gêmeo será mais jovem que o primeiro ao retornar, pois menos tempo passará para ele.


Mark e Scott Kelly, no Johnson Space Center. Um deles passou um ano no espaço e envelheceu um pouco menos, enquanto o outro permaneceu na Terra.

Como Minkowski escreveu em 1908:

As teorias da essência do espaço e do tempo que quero demonstrar para você cresceram com base na física experimental, da qual provém sua força. Eles são radicais. Daí em diante, o espaço em si e o tempo em si estão fadados a se transformar em sombras, e apenas sua unificação permanecerá uma realidade independente.

Hoje, a formulação do espaço-tempo é ainda mais geral, a curvatura inerente ao espaço é incluída nele - é assim que o STO é generalizado. Mas a razão pela qual o tempo tem a mesma dimensão que o espaço é porque estamos em constante movimento através dele, e o escrevemos na forma de "3 + 1" (e não apenas 4) porque o aumento do movimento no espaço reduz o movimento através do tempo e vice-versa.


A câmera prevê o movimento de um objeto no tempo - uma das aplicações práticas da idéia de tempo como medida



É interessante que todos, independentemente de seus movimentos no espaço em relação a todos, vejam as mesmas regras, as mesmas ações e conseqüências. Se o tempo não fosse essa dimensão, as leis da relatividade não funcionariam e o conceito de espaço absoluto poderia ser justificado. Para que a física funcione da maneira que funciona, precisamos de tempo para ter a propriedade de medir, e o Universo está constantemente nos fornecendo tais fenômenos.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].