Tiempos curvados y agujeros negros

Al dar las coordenadas de un lugar, la mayoría de las personas proporcionan la latitud, longitud y altitud quizá. Pero hay una cuarta dimensión a menudo descuidada: el tiempo.

  La combinación de las coordenadas físicas con el elemento temporal crea un concepto conocido como el espacio-tiempo, un fondo para todos los eventos en el universo.

"En la física, el espacio-tiempo es el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un solo continuo entretejido en todo el universo," Eric Davis, un físico que trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados de Austin y con la Fundación Tau Cero, le dijo a Space.com por correo electrónico.

  Eric Davis se especializa en la física del espacio-tiempo más rápida que la luz y la física anti-gravedad, ya que ambos utilizan ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein y la teoría de los campos cuánticos, así como la óptica cuántica, para llevar a cabo experimentos de laboratorio.

"La teoría especial de la relatividad de Einstein, publicada en 1905, adaptó el modelo del universo del espacio-tiempo unificados de Hermann Minkowski para mostrar que el tiempo debe ser tratado como una dimensión física a la par de las tres dimensiones físicas del espacio - Altura , anchura y longitud - que experimentamos en nuestras vidas ", dijo Davis.

"El espacio-tiempo es el paisaje sobre el que los fenómenos tienen lugar", agregó Luca Amendola, un miembro del Grupo de Trabajo de la Teoría Euclid (un equipo de científicos teóricos que trabajan con satélite Euclid de la Agencia Espacial Europea) y profesor de la Universidad de Heidelberg en Alemania.

"Al igual que cualquier paisaje no está escrito en piedra, fijado para siempre, cambia sólo porque las cosas suceden - los planetas se mueven, las partículas interactúan, las células se reproducen", dijo a Space.com por correo electrónico.

 1. 12 Cosas que hay que saber acerca de la RELATIVIDAD. Las teorías de Einstein sobre la relatividad revolucionaron la forma en que el mundo piensa acerca del espacio, masa, energía y gravedad

Antes de Einstein, las leyes de Isaac Newton eran utilizadas para entender la física del movimiento.

En 1687, Newton escribió que la gravedad afecta todo en el universo. La misma fuerza de gravedad que halaba una manzana hacia abajo del árbol mantenía a la Tierra en movimiento alrededor del sol.

Pero Newton nunca resolvió el enigma de la fuente de gravedad.

2. El ‘Tratado de la Naturaleza Humana’ del filósofo David Hume tuvo muchísima influencia en el pensamiento de Einstein acerca del espacio y el tiempo.

Hume era un empírico y un escéptico, creía que los conceptos científicos debían estar basados en experiencia y evidencia, no sólo en la razón.

Él también sostuvo el tiempo no existía separadamente del movimiento de los objetos.

“Es muy posible que sin éstos estudios filosóficos yo no hubiera llegado a la solución,” escribió Einstein

 3. En 1905, Albert Einstein basó una nueva teoría en dos principios. Primero, las leyes de la física parecen igual a todos los observadores.

Segundo, él calculó que la velocidad de la luz . 186,000 millas por segundo (299,338 kilómetros por segundo . no cambia.

Antes de Einstein, los científicos creían que el espacio estaba lleno con éter luminoso que causaba que la luz de la luz cambiara dependiendo del movimiento relativo de la fuente y el observador.

4. Como resultado de estos principios, Einstein dedujo que no hay marco fijo de referencia en el universo. Todo está en relativo movimiento a todo lo demás, De allí la teoría de la relatividad de Einstein.

Es conocida como relatividad especial porque aplica sólo a casos especiales: marcos de referencia en el constante inmutable movimiento.

En 1915, Einstein publicó la teoría general de la relatividad, que aplica a marcos que se aceleran respecto a unos a otros.

5. El tiempo no pasa en la misma proporción para todos. Un observador de rápido movimiento mide el tiempo pasando más lentamente de lo que pasaría para un observador estacionario (relativamente).

Este fenómeno es llamado dilatación del tiempo. En esta visualización, el reloj en movimiento funciona más lentamente que el reloj estacionario.

6. Un objeto en movimiento rápido parece más corto en relación a uno moviéndose lentamente. Este efecto es muy sutil hasta que el objeto viaja a una velocidad cercana a la de la luz.

7. Masa y energía son distintas manifestaciones de la misma famosa ecuación de Einstein, E = mc² significa que una cantidad de energía es equivalente a una cantidad de tiempo de masa de la velocidad luz al cuadrado.

Esto es lo que permite la liberación de una enorme cantidad de energía en una explosión nuclear.

8. Como un resultado de E = mc², un objeto de rápido movimiento parece tener mayor masa en relación con una lento-mudanza.

Esto es debido a que aumenta la velocidad de un objeto aumenta su energía cinética y, por lo tanto, es la masivo (desde masa = energía).

9. El aumento de la masa es la razón por la cual Einstein dice que la materia no puede viajar más rápido que la luz. La masa aumenta con la velocidad hasta que la masa se hace infinita cuando alcanza la velocidad de la luz.

Una masa infinita requeriría energía infinita para moverse, así que esto es imposible.

10. El espacio y el tiempo son parte de un continuo llamado espacio-tiempo. En las matemáticas de Einstein, el espacio tiene tres dimensiones y la cuarta dimensión es el tiempo. Teorías más recientes suponen dimensiones adicionales que nosotros no percibimos.

El Espacio-tiempo puede ser considerado como una rejilla o tela. La presencia de masa deforma el espacio-tiempo. La presencia de masa distorsiona el espacio-tiempo, por lo que el modelo de hoja de caucho es una visualización popular.

11. La relatividad explica de dónde viene la gravedad. El modelo de la hoja de goma muestra que la gravedad resulta de objetos masivos doblando el espacio-tiempo.

El doblado es llamado pozo-de-gravedad.

Los objetos orbitantes siguen el camino que es más corto y que requiere la menor cantidad de energía. Los planetas se mueven en elíptica, la ruta más eficiente de energía en el pozo de gravedad del sol.

12. La Gravedad dobla la luz. Este fenómeno es llamado lente gravitacional.

Cuando observamos una galaxia distante, la gravedad de la materia entre la tierra y la galaxia hace que los rayos de luz se doblen en caminos diferentes.

Cuando la luz alcanza el telescopio, aparecen múltiples imágenes de la misma galaxia.

La historia del espacio-tiempo

La idea de que el tiempo y el espacio están unidos es un desarrollo relativamente reciente en la historia de la ciencia.

"Los conceptos de espacio se mantuvieron prácticamente lo mismo desde los primeros filósofos griegos hasta el comienzo del siglo 20 - una etapa inmutable sobre el cual la materia se mueve", dijo Amendola.

"El tiempo se suponía que era aún más inmutable, ya que, mientras uno se podía mover en el espacio a su gusto, usted no puede viajar en el tiempo libremente, ya que corre igual para todo el mundo."

A principios de 1900, Hermann Minkowski construyó sobre las obras tempranas del físico holandés Hendrik Lorentz y dell matemático y físico teórico francés Henri Poincaré para crear un modelo unificado del espacio-tiempo.

Einstein, un estudiante de Minkowski, adaptó el modelo de Minkowski cuando publicó su teoría de la relatividad en 1905.

"Einstein había reunido los trabajos  teóricos independientes de Poincaré, los trabajos teóricos independientes de Lorentz y de Minkowski a su teoría general de la relatividad especial, que era mucho más amplio y profundo en su tratamiento de las fuerzas electromagnéticas y movimiento, salvo que dejase fuera la fuerza de la gravedad, que Einstein más tarde abordó en su obra magna de la teoría general de la relatividad", dijo Davis.

Avances del espacio-tiempo

En la relatividad especial, la geometría del espacio-tiempo es fija, pero los observadores miden diferentes distancias o intervalos de tiempo de acuerdo a su propia velocidad relativa.

  En la relatividad general, la geometría del espacio-tiempo cambia dependiendo de cómo la materia se mueve y es distribuida.

"La teoría general de la relatividad de Einstein es el primer avance teórico importante que resultó del modelo de espacio-tiempo unificado", dijo Davis.

  La relatividad general llevó a la ciencia de la cosmología, el siguiente gran avance que llegó gracias al concepto de espacio-tiempo unificado.

"Es debido al modelo unificado del espacio-tiempo que podemos tener una teoría para la creación y existencia de nuestro universo, y seremos capaces de estudiar todas las consecuencias que se derivan del mismo", dijo Davis.

Explicó que la relatividad general predice fenómenos como los agujeros negros y agujeros blancos.

También predice que tienen un horizonte de sucesos, la frontera que marca en la que nada puede escapar, y el punto de singularidades en su centro, un punto unidimensional donde la gravedad se hace infinita.

La relatividad general también podría explicar la rotación de los cuerpos astronómicos que arrastran el espacio-tiempo con ellos, el Big Bang y la expansión inflacionaria del universo, las ondas de gravedad, el tiempo y la dilatación del espacio asociado con espacio-tiempo curvo, la lente gravitacional causada por galaxias masivas, y la órbita cambiante de Mercurio y otros cuerpos planetarios, todo lo que la ciencia ha demostrado cierto.

También predice cosas como propulsiones de impulso-de-envoltura y agujeros de gusano desplazables y máquinas del tiempo.

"Todos estos fenómenos se basan en el modelo de espacio-tiempo unificado", dijo, "y la mayoría de ellos han sido observados."

Una mejora de la comprensión del espacio-tiempo también condujo a la teoría de los campos cuánticos.

Cuando la mecánica cuántica, la rama de la teoría de trata con el movimiento de los átomos y los fotones, fue publicada por primera vez en 1925, estaba basada en la idea de que el espacio y el tiempo eran separados e independientes.

Después de la Segunda Guerra Mundial, los físicos teóricos han encontrado una manera de incorporar matemáticamente la teoría especial de la relatividad de Einstein en la mecánica cuántica, dando a luz a la teoría de los campos cuánticos.

"Los avances que resultaron de la teoría cuántica de campos son tremendas", dijo Davis.

La teoría dio lugar a una teoría cuántica de la radiación electromagnética y las partículas elementales cargadas eléctricamente - llamada teoría de la electrodinámica cuántica (teoría QED) - alrededor de 1950.

En la década de 1970, la teoría QED se unificó con la débil teoría de la fuerza nuclear para producir la teoría electro-débil, que las describe tanto como diferentes aspectos de la misma fuerza. En 1973, los científicos obtuvieron la teoría cuántica cromodinámica (teoría de la QCD), la teoría de la fuerte fuerza nuclear de los quarks y los gluones, que son partículas elementales.

En los años 1980 y la década de 1990, los físicos unen la teoría QED, la teoría de la cromodinámica cuántica y la teoría electrodébil para formular el modelo estándar de la física de partículas, la mega teoría que describe todas las partículas elementales conocidas de la naturaleza y las fuerzas fundamentales de sus interacciones.

Más tarde, la predicción de Peter Higgs en1960 de una partícula ahora conocida como el bosón de Higgs, que fue descubierta en 2012 por el Gran Colisionador de Hadrones del CERN fue añadido a la mezcla.

Los avances experimentales incluyen el descubrimiento de muchas de las partículas elementales y sus fuerzas de interacción conocidas hoy en día, dijo Davis. También incluyen la promoción de la teoría de la materia condensada para predecir dos nuevos estados de la materia más allá de las que se enseñan en la mayoría de los libros de texto.

Más estados de la materia están siendo descubiertos mediante la teoría de la materia condensada, que utiliza la teoría cuántica de campos como su maquinaria matemática.

"Materia condensada tiene que ver con los estados exóticos de la materia, tales como los que se encuentran en el vidrio metálico, cristales fotónicos, metamateriales, nanomateriales, semiconductores, cristales, cristales líquidos, aisladores, conductores, superconductores, fluidos superconductores, etc.", dijo Davis .

"Todo esto se basa en el modelo de espacio-tiempo unificado."

El futuro del espacio-tiempo

Los científicos continúan mejorando su comprensión del espacio-tiempo mediante el uso de las misiones y los experimentos que observan muchos de los fenómenos con los que interactúan.

El Telescopio Espacial Hubble, el cual mide la expansión acelerada del universo, es uno de los instrumentos para hacerlo. La misión de la Gravity Probe B de la NASA que se lanzó en 2004, estudió la torsión del espacio-tiempo por un cuerpo en rotación - la Tierra.

La misión NuSTAR de la NASA lanzada en 2012, estudia los agujeros negros.

Muchos otros telescopios y misiones también han ayudado a estudiar estos fenómenos.

En la planta, los aceleradores de partículas han estudiado partículas en rápido movimiento durante décadas.

"Una de las mejores confirmaciones de la relatividad especial son las observaciones que las partículas, que deberían decaer después de un tiempo dado, toman, de hecho, mucho más tiempo cuando viajan muy rápido, como, por ejemplo, en los aceleradores de partículas", dijo Amendola.

"Esto se debe a que los intervalos de tiempo son más largos cuando la velocidad relativa es muy grande."

Futuras misiones y experimentos continuarán sondeando el espacio-tiempo también.

La Agencia Espacial Europea y la NASA vía satélite Euclid, a lanzarse en 2020, seguirán probando las ideas a escalas astronómicas, mientras mapean la geometría de la energía oscura y la materia oscura, las misteriosas sustancias que componen la mayor parte del universo.

En la planta, los obseratorios LIGO y VIRGO continúan estudiando las ondas gravitacionales, ondulaciones en la curvatura del espacio-tiempo.

"Si pudiéramos manejar los agujeros negros de la misma manera en que manejamos las partículas en los aceleradores, aprenderíamos mucho más sobre el espacio-tiempo", dijo Amendola.