Espacio y tiempo absolutos

El espacio y el tiempo absolutos es un concepto de la física y la filosofía sobre las propiedades del universo. En física, el espacio y el tiempo absolutos pueden ser un marco preferido.

Concepto inicial

En la física aristotélica se puede ver una versión del concepto de espacio absoluto (en el sentido de un marco preferido). Robert S. Westman escribe que se puede observar un "toque" de espacio absoluto en De revolutionibus orbium coelestium de Copérnico, donde éste utiliza el concepto de una esfera inmóvil de estrellas.

Newton

Introducidos originalmente por Sir Isaac Newton en Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, los conceptos de tiempo y espacio absolutos proporcionaron una base teórica que facilitó la mecánica newtoniana. Según Newton, el tiempo y el espacio absolutos respectivamente son aspectos independientes de la realidad objetiva:

El tiempo absoluto, verdadero y matemático, de sí mismo, y de su propia naturaleza fluye de forma ecual sin tener en cuenta nada externo, y por otro nombre se llama duración: el tiempo relativo, aparente y común, es una medida sensible y externa (ya sea precisa o inequable) de duración por medio del movimiento, que se utiliza comúnmente en lugar de tiempo real...

Según Newton, el tiempo absoluto existe independientemente de cualquier receptor y progresa a un ritmo constante en todo el universo. A diferencia del tiempo relativo, Newton creía que el tiempo absoluto era imperceptible y sólo podía entenderse matemáticamente. Según Newton, los humanos sólo son capaces de percibir el tiempo relativo, que es una medición de objetos perceptibles en movimiento (como la Luna o el Sol). De estos movimientos, inferimos el paso del tiempo.

El espacio absoluto, en su propia naturaleza, sin tener en cuenta nada externo, sigue siendo siempre similar e inamovible. El espacio relativo es una dimensión o medida extraíble de los espacios absolutos, que nuestros sentidos determinan por su posición a los cuerpos: y que es vulgarmente tomado para el espacio inamovible... El movimiento absoluto es la traducción de un cuerpo de un lugar absoluto a otro: y el movimiento relativo, la traducción de un lugar relativo a otro...

—Isaac Newton

Estas nociones implican que el espacio y el tiempo absolutos no dependen de eventos físicos, sino que son un telón de fondo o escenario dentro del cual ocurren los fenómenos físicos. Por lo tanto, cada objeto tiene un estado absoluto de movimiento en relación con el espacio absoluto, de modo que un objeto debe estar en un estado de reposo absoluto o moviéndose a una velocidad absoluta. Para apoyar sus puntos de vista, Newton proporcionó algunos ejemplos empíricos: según Newton, se puede inferir que una esfera solitaria que gira sobre su eje en relación con el espacio absoluto observando el abultamiento de su ecuador, y se puede inferir que un par solitario de esferas atadas con una cuerda están en rotación absoluta sobre su centro de gravedad (baricentro) observando la tensión en la cuerda.

Opiniones divergentes

A lo largo de la historia, ha habido diferentes puntos de vista sobre el concepto de espacio y tiempo absolutos. Gottfried Leibniz opinaba que el espacio no tenía sentido excepto como la ubicación relativa de los cuerpos, y el tiempo no tenía sentido excepto como el movimiento relativo de los cuerpos. George Berkeley sugirió que, al carecer de un punto de referencia, no se podía concebir que una esfera en un universo vacío girara, y se podía concebir que un par de esferas giraran una respecto de la otra, pero no que giraran alrededor de su centro de gravedad, un ejemplo que más tarde planteó Albert Einstein en su desarrollo de la relatividad general.

Una forma más reciente de estas objeciones fue la que formuló Ernst Mach. El principio de Mach propone que la mecánica trata exclusivamente del movimiento relativo de los cuerpos y, en particular, que la masa es una expresión de dicho movimiento relativo. Así, por ejemplo, una sola partícula en un universo sin otros cuerpos tendría masa cero. Según Mach, los ejemplos de Newton simplemente ilustran la rotación relativa de las esferas y la masa del universo.

Cuando, en consecuencia, decimos que un cuerpo conserva sin cambios su dirección y velocidad en el espacio, nuestra afirmación no es nada más o menos que una referencia abreviada el universo entero.
—Ernst Mach; citado por Ciufolini y Wheeler: Gravitación e Inercia, pág. 387

Estas visiones que se oponen al espacio y al tiempo absolutos pueden verse desde una postura moderna como un intento de introducir definiciones operacionales para el espacio y el tiempo, una perspectiva que se hizo explícita en la teoría especial de la relatividad.

Incluso en el contexto de la mecánica newtoniana, la visión moderna es que el espacio absoluto es innecesario. En su lugar, ha prevalecido la noción de marco de referencia inercial, es decir, un conjunto preferido de marcos de referencia que se mueven uniformemente entre sí. Las leyes de la física se transforman de un marco inercial a otro según la relatividad galileana, lo que conduce a las siguientes objeciones al espacio absoluto, como las describe Milutin Blagojević:

• La existencia del espacio absoluto contradice la lógica interna de la mecánica clásica ya que, según el principio Galileo de la relatividad, ninguno de los marcos inerciales puede ser señalado.
• El espacio absoluto no explica las fuerzas inerciales ya que están relacionadas con la aceleración con respecto a cualquiera de los marcos inerciales.
• El espacio absoluto actúa sobre objetos físicos induciendo su resistencia a la aceleración, pero no puede ser accionado.

El propio Newton reconoció el papel de los marcos inerciales.

Las mociones de los cuerpos incluidos en un espacio dado son las mismas entre sí, ya sea que el espacio esté en reposo o se mueva uniformemente hacia adelante en una línea recta.

Como cuestión práctica, los marcos inerciales a menudo se toman como marcos que se mueven uniformemente con respecto a las estrellas fijas. Vea el marco de referencia inercial para más discusión sobre esto.

Definiciones matemáticas

Espacio, como se entiende en la mecánica de Newtonian, es tridimensional y Euclidean, con una orientación fija. Está denotado. E³. Si algún punto O dentro E³ se fija y define como un origen, el posición de cualquier punto P dentro E³ está determinado por su vector radius r=OP→ → {displaystyle mathbf {r} ={vec {OP}} (el origen de este vector coincide con el punto O y su fin coincide con el punto P). El espacio vectorial tridimensional R³ es un conjunto de todos los vectores radiales. El espacio R³ está dotado con un producto de cuero cabelludo.

El tiempo es un escalar que es el mismo en todo el espacio E³ y se denota como t. El conjunto ordenado { t } se llama eje del tiempo.

Motion (también sendero o trayectoria) es una función r: Δ → R³ que mapea un punto en el intervalo Δ del eje del tiempo a una posición (radio vector) en R³.

Los cuatro conceptos anteriores son los objetos "bien conocidos" mencionados por Isaac Newton en su Principia:

No defino el tiempo, el espacio, el lugar y el movimiento, como bien conocido para todos.

Relatividad especial

Los conceptos de espacio y tiempo estaban separados en la teoría física antes de la llegada de la teoría de la relatividad especial, que conectaba ambos y demostraba que ambos dependían del movimiento del marco de referencia. En las teorías de Einstein, las ideas de tiempo y espacio absolutos fueron reemplazadas por la noción de espacio-tiempo en la relatividad especial y de espacio-tiempo curvo en la relatividad general.

La simultaneidad absoluta se refiere a la concurrencia de eventos en el tiempo en diferentes lugares del espacio de una manera acordada en todos los marcos de referencia. La teoría de la relatividad no tiene un concepto de tiempo absoluto porque existe una relatividad de la simultaneidad. Un evento que es simultáneo con otro evento en un marco de referencia puede estar en el pasado o en el futuro de ese evento en un marco de referencia diferente, lo que niega la simultaneidad absoluta.

Einstein

En la siguiente cita de uno de sus últimos artículos, Einstein identificó el término éter con las "propiedades del espacio", una terminología que no se utiliza ampliamente. Einstein afirmó que en la relatividad general el "éter" ya no es absoluto, ya que la geodésica y, por lo tanto, la estructura del espacio-tiempo dependen de la presencia de materia.

Negar el éter es en última instancia asumir que el espacio vacío no tiene cualidades físicas. Los hechos fundamentales de la mecánica no armonizan con esta opinión. Para el comportamiento mecánico de un sistema corpóreo que se mueve libremente en el espacio vacío depende no sólo de posiciones relativas (distancias) y velocidades relativas, sino también de su estado de rotación, que físicamente puede ser tomado como una característica que no se detiene al sistema en sí mismo. Para poder mirar la rotación del sistema, al menos formalmente, como algo real, Newton objeta el espacio. Ya que imparte su espacio absoluto junto con cosas reales, para él la rotación relativa a un espacio absoluto es también algo real. Newton podría no menos bien haber llamado su espacio absoluto “Otro”; lo esencial es simplemente que además de objetos observables, otra cosa, que no es perceptible, debe ser considerada como real, para permitir que la aceleración o la rotación se vea como algo real.

—Albert Einstein, Ether y la Teoría de la Relatividad (1920)

Debido a que ya no era posible hablar, en ningún sentido absoluto, de estados simultáneos en diferentes lugares del éter, el éter se convirtió, como era, en cuatro dimensiones, ya que no había una manera objetiva de ordenar sus estados por tiempo solo. De acuerdo con la relatividad especial, el éter era absoluto, ya que su influencia en la inercia y la propagación de la luz se consideraba independiente de la influencia física....La teoría de la relatividad resolvió este problema estableciendo el comportamiento de la masa de puntos eléctricamente neutral por la ley de la línea geodésica, según la cual los efectos inerciales y gravitacionales ya no se consideran separados. Al hacerlo, adjuntó características al éter que varían de punto a punto, determinando el comportamiento métrico y dinámico de los puntos materiales y determinando, a su vez, factores físicos, a saber, la distribución de masa/energía. Así el éter de la relatividad general difiere de los de la mecánica clásica y la relatividad especial en que no es ‘absoluto’ sino determinado, en sus características localmente variables, por materia ponderable.

—Albert Einstein, Über den Äther (1924)

Relatividad general

La relatividad especial elimina el tiempo absoluto (aunque Gödel y otros sospechan que el tiempo absoluto puede ser válido para algunas formas de relatividad general) y la relatividad general reduce aún más el alcance físico del espacio y el tiempo absolutos mediante el concepto de geodésicas. Parece haber espacio absoluto en relación con las estrellas distantes porque las geodésicas locales eventualmente canalizan información de estas estrellas, pero no es necesario invocar el espacio absoluto con respecto a la física de ningún sistema, ya que sus geodésicas locales son suficientes para describir su espacio-tiempo.

Referencias y notas