¿Qué es el Espacio-Tiempo?
Haciendo una analogía teatral se podría decir que es el "escenario" continuamente cambiante en el que la materia y la energía representan la obra del Universo en que habitamos.
Pero a principios del siglo XX apareció en escena un joven llamado Albert Einstein, melenudo y con pinta de despistado pero con la cabeza llena de preguntas, que se atrevió a romper el guion: ¿y si escenario y reloj fueran, en realidad, una misma moneda con dos caras inseparables: el espacio y el tiempo?
Todos convendremos en que para el acto de quedar con un amigo hay que decir el lugar (espacio) y el momento (tiempo), si no, no hay manera, ¿verdad?
Así que de una manera más formal podríamos decir que es un pack indivisible de 4 dimensiones (3 espaciales: alto, ancho y largo; y 1 temporal) necesario para describir con eficacia un acontecimiento en el Universo actual, pero, y esta es la novedad, el espacio y el tiempo no van a ser conceptos distintos uno del otro a la hora de su tratamiento matemático. Esto surge de la Teoría de la Relatividad y establece que ambos están tan estrechamente entrelazados que debemos considerarlos los cuatro de la misma naturaleza. Un poco más adelante lo entenderemos mejor.
¿Y por qué van unidos, por qué se habla del Espacio-Tiempo como un todo?
Porque uno no puede existir sin el otro y viceversa. Son como el anverso y el reverso de una hoja: puedes mirar un lado u otro, pero nunca separarlos. Veámoslo.
1. Porque espacio y tiempo nacieron juntos al producirse el Big Bang.
Intuitivamente es lógico:
espacio y tiempo nacieron a la vez cuando se produjo el Big Bang. Antes de él no había ni un “dónde” ni un “cuándo”, simplemente carece de sentido hablar de un “antes".
Toda la materia y la energía que hoy conocemos estaban concentradas en un punto minúsculo, lo que provocaba una temperatura brutal y un ambiente inestabilísimo. Y cuando todo estaba en ese punto…
en realidad no pasaba el tiempo. Es lo que los físicos llaman una singularidad: un estado donde las leyes que conocemos dejan de servir y desconocemos cuáles son las que mandan ahí. No es la eternidad, sino el “no-tiempo”, un limbo del que solo el Big Bang pudo sacarnos.
Con esa Gran Explosión no solo se desplegó la materia y la energía, sino también el propio escenario donde todo ocurre (el espacio) y el reloj que marca el ritmo de los sucesos (el tiempo). Ambos surgieron juntos y, conforme avanza la expansión, siguen creciendo de la mano (aún hoy).
Vemos, pues, que por su propia naturaleza son indisolubles.
2. Porque sabemos, tanto matemática como experimentalmente, que la materia y la energía deforman a la vez el espacio y el tiempo.
Enorme masa deformando el tejido espacio-temporal del que está hecho el Universo, según la Teoría de la Relatividad de Einstein
Einstein revolucionó la forma de entender el Universo al mostrar que
la materia no solo ocupa el espacio-tiempo, sino que lo deforma. Imagina una lámina de goma bien estirada y coloca encima una bola de acero: la superficie se curva, y cualquier objeto más pequeño que pase cerca caerá en esa hondonada. Así funcionan las órbitas de planetas, estrellas o incluso la luz al pasar cerca de un objeto muy masivo: siguen las curvas creadas en el tejido cósmico.
Matemáticamente, entrelazar el espacio con el tiempo equivale a integrar el tiempo como una variable espacial más en las ecuaciones del movimiento de un objeto, lo que lleva a considerar el Universo como un "espacio de 4 dimensiones".
Fue el matemático alemán Minkowski el que introdujo este concepto para desarrollar ciertos aspectos de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein. A este, que como vemos en la ilustración había sido un alumno suyo con tendencia a hacer novillos, en un principio no le gustó (le pareció "superfluo"). Sin embargo, al poco tiempo, el genio de genios rectificó y gracias a ello consiguió extender su Teoría de la Relatividad Especial (que no incluía la Gravedad) hasta la Relatividad General, que sí la contiene.
Moraleja: por muy listo que seas... ¡nunca subestimes a quien fue tu profe!
Diagrama espacio-tiempo de Minkowski
Y no quedó solo en las matemáticas. Experimentalmente también se demostró que la masa y la energía deformaban no solo el espacio, sino también el tiempo. Aquello constituyó una prueba inequívoca de que espacio y tiempo no son realidades independientes, sino una sola unidad funcional: el espacio-tiempo.
En 1919, durante un eclipse solar, Arthur Eddington pudo comprobarlo de manera espectacular. Al tapar la Luna el resplandor del Sol, fue posible fotografiar las estrellas que se encontraban justo detrás de él, algo que en condiciones normales resulta imposible por el brillo solar. Sus rayos de luz, al pasar cerca del Sol, no siguieron un camino recto sino que se curvaron porque la enorme masa del Sol hundía el espacio-tiempo en esa zona. En las fotos, esas estrellas parecían estar en un lugar distinto del que ocupaban en realidad, exactamente la desviación que Einstein había predicho. Aquellas placas fueron la primera gran confirmación de la Relatividad General: la masa curva al espacio y este, a la luz.
Imagen tomada de https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Representacao-artistica-do-desvio-causado-pela-atracao-gravitacional-do-Sol_fig2_333442292
Otro claro ejemplo de que el espacio-tiempo está curvado es la precesión del perihelio de Mercurio. El perihelio es el punto más cercano al Sol de la órbita, y precesionar significa que ese punto se va desplazando poco a poco.
En Mercurio ocurre que cada órbita no se repite en el mismo lugar, sino que avanza un poco, como si el planeta dibujara con el tiempo una roseta alrededor del Sol. La razón es que, tan cerca de él, el espacio-tiempo está tan deformado que la elipse de la órbita nunca llega a cerrarse del todo.
Newton no pudo resolverlo porque trataba espacio y tiempo por separado; Einstein sí, al unirlos en un mismo tejido donde Mercurio sigue su geodésica, el camino natural marcado por esa curvatura.
Y la deformación también afecta al tiempo. Allí donde la gravedad es más intensa, un reloj funciona más despacio y el tiempo transcurre más lentamente que en zonas donde la gravedad es menor. Dicho de otro modo, cerca de un objeto muy masivo como un planeta, una estrella o un agujero negro, el tiempo se estira y se ralentiza.
Esto se ha comprobado comparando relojes atómicos situados a distintas alturas: los que están más cerca de la superficie terrestre, donde la gravedad es mayor, laten un poco más despacio que los que están más arriba. Un caso cotidiano es el de los satélites del sistema GPS: sus relojes avanzan más rápido que los de la superficie terrestre y, si no se aplicaran correcciones constantes para sincronizarlos con los navegadores de tu coche o con Google Maps, las rutas mostrarían errores de varios kilómetros y varios minutos en la hora estimada de llegada.
Se oye mucho la expresión "Continuo Espacio-Tiempo", ¿qué quiere decir eso?
No hay zonas sin malla en el tejido espacio-temporal
Significa que desde que "nació" el espacio-tiempo con la explosión del Big Bang, en el Universo no ha habido ni puntos donde falte espacio ni momentos en los que no haya existido el tiempo. Ambos han fluido siempre sin cortes y...¡ ya van la friolera de 13800 millones de años!
Otra forma de imaginarlo es como una tela que va surgiendo de un telar que nunca se ha detenido desde que la máquina comenzó a funcionar. Cada instante que pasa es un nuevo tramo de esa tela, que va creciendo sin cesar y agrandando a la vez el espacio y el tiempo. Y lo más asombroso es que ese telar sigue funcionando hoy … y seguirá mientras el Universo exista.
¿Cómo se sabe que son de la misma naturaleza?
Primero porque matemáticamente espacio y tiempo son intercambiables, lo que demuestra que son de la misma naturaleza. Esto quiere decir que cierta cantidad de tiempo puede convertirse matemáticamente sin incongruencias en cierta cantidad equivalente de espacio. Por ello, podemos representarlos juntos en un mismo sistema de ejes con total coherencia.
Nuestro cerebro no está hecho para imaginar una realidad de cuatro
dimensiones, pero sí podemos hacerlo en una versión simplificada de dos:
un eje espacial y otro temporal. Lo que ocurre en ese plano reducido se
puede extrapolar a las cuatro dimensiones reales, aunque no podamos “verlo” mentalmente.
Ejemplo: imagina una línea roja que representa a una persona situada a 3 metros de mí y que se aleja a una velocidad de 1 m/s. Esa trayectoria combina a la vez espacio y tiempo.
Y en segundo lugar, porque al combinarse espacio, tiempo y gravedad, las trayectorias resultan curvas, justo como ocurre en nuestro Universo cuando un objeto se mueve.
Ejemplo: la línea roja representa a una persona que da un salto, se
eleva 0,5 metros y en 0,5 segundos vuelve al suelo, atraída por la
gravedad.
El hecho de que esa gráfica sea una curva es totalmente congruente con la realidad de nuestro Universo: la Relatividad General representa el espacio-tiempo, como vimos en la ilustración anterior, como una Lámina de Goma que, al soportar un objeto con mucha masa, se deforma curvándose. Así, cuando un objeto se mueve por el espacio-tiempo, nunca sigue un camino perfectamente recto, sino que siempre presenta cierta curvatura, mayor o menor según lo cerca que esté de un objeto masivo.
¡Luego vemos que considerar espacio y tiempo como una unidad funcional no es un simple recurso matemático, sino que constituye un fiel descriptor de la realidad!
Y finalmente porque cuando espacio y tiempo se someten a la Teoría de la Relatividad de Einstein, manifiestan su carácter relativo: su valor depende de la persona que los mida: ¡el tiempo transcurrido y el espacio medido no son iguales para alguien parado que para alguien que se está moviendo a alta velocidad!
En concreto, para "el nerviosillo" el tiempo se dilata (pasa más despacio y envejece menos), mientras que la longitud de los objetos se contrae (se "achican") en comparación con "el tranquilito". Pero esa es ya carne de otro post 😉
La longitud se contrae cuando la velocidad del móvil se acerca a la de la luz
El tiempo se enlentece y... ¡vuelves más joven de tu viaje espacial!
¿Y está hecho de algo el tejido del espacio-tiempo o está vacío?
Aunque pueda parecer un vacío absoluto, la física cuántica nos dice que el espacio-tiempo no está realmente vacío. Su tejido fluctúa sin descanso: partículas virtuales aparecen y desaparecen en fracciones de segundo, provocando pequeñas alteraciones a su alrededor.
A ese fenómeno se le conoce como espuma cuántica, un hervidero microscópico que sugiere que el espacio y el tiempo no son solo un escenario pasivo, sino que poseen una estructura mucho más profunda que afecta a la materia cercana.
Imagen tomada de https://laleyendadedarwan.es/2019/04/22/fisica-espuma-cuantica-y-atomos-del-espacio-tiempo/
Un ejemplo real es el efecto Casimir, en el que dos placas metálicas muy próximas, a distancias microscópicas y entre las que no hay nada se atraen sin tocarse. ¿Por qué? Porque la aparición y desaparición constante de partículas virtuales del vacío actúan como un hervidero que aprieta más por fuera que por dentro de ese minúsculo espacio, empujándolas hasta juntarlas.
¿Significa esto que el espacio-tiempo está hecho de auténticos “átomos” fundamentales? Aún no lo sabemos. Lo que sí parece claro es que el vacío, en realidad, está lleno de vida cuántica… y esa, colega, es ya carne de otro post 😉.
Dejo enlaces de algunas webs y vídeos interesantes, a los que doy las gracias por la información y algunas de las fotos que ilustran esta entrada, por si alguien quisiera profundizar más:
Vídeo del canal El Robot de Platón del gran divulgador Aldo:
Magnífico Javi, muy didáctico, muy fácil de entender. Te lo agradezco yo y te lo agradecerá mucha gente que no tenia esto muy claro. Gracias.
ResponderEliminar¡Muchas gracias, me alegro de que te haya ayudado! Saludos y espero que los demás artículos del blog también le gusten 😀
EliminarMuy interesante y didáctico, pero lo que me parece más interesante es que alguien, en estos tiempos en los que nos ha tocado vivir, se dedique a la divulgación científica. Felicidades. Gabriel.
ResponderEliminarMuchas gracias, Gabriel! Bueno, ahora en verano sin el instituto tengo más tiempo y me gusta coger cositas complejas y clarificarlas hasta donde se pueda, algo que hubiese agradecido mucho cuando estudiaba en el insti y en la facultad. A veces, como en este artículo, surge simplemente de mi propia necesidad de profundizar en algo que me ha llamado la atención desde siempre. Abrazo grande y aprovechemos, que nos queda nada jeje :)
EliminarAunque está claro, el de antes era yo jeje
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