¿De qué está 'hecho' el espacio-tiempo?

La relatividad general a menudo se explica diciendo que el espacio-tiempo está curvado por la gravedad, ¿qué significa esto? ¿Cómo podríamos percibir una curva en el espacio-tiempo cuando no hay un marco de referencia "recto" externo, por ejemplo?

Dimensiones. Piensa en las dimensiones.
Creo que su título y su pregunta son dos temas bastante diferentes, aunque relacionados. Supongo que te refieres a "De qué (no dónde ) está hecho el espacio-tiempo". La respuesta a eso es algo filosófica, pero una discusión física probablemente encaje mejor en el foro physics.SE. La respuesta a "¿Qué son las ondas gravitacionales y cómo funcionan?" es más tangible (aunque no muy fácil de entender), pero creo que también debería preguntarse en el foro de física.
Si se puede decir que un área del espacio que estaba desprovista de materia y energía tiene alguna característica residual, en algún sentido debe estar compuesta de algo. De lo contrario, no tendría energía de punto cero ni espuma cuántica. IM sin educación O.
Muy hipotético, pero algunos científicos están tratando de averiguar si esto es cierto o no: quantamagazine.org/20160119-time-entanglement
Vacío cuántico y campo de Higgs

Respuestas (5)

El espacio-tiempo no está "hecho" de nada, es simplemente un medio o sistema de coordenadas. Piense en las líneas de la cuadrícula en un mapa, no están "hechas" de nada, son solo una representación de la geometría de la Tierra. El espacio-tiempo es un concepto previsto por Einstein cuando escribió su teoría de la Relatividad Especial, según la cual las propiedades del espacio y el tiempo se vinculan intrínsecamente a velocidades relativistas. Una de las consecuencias de esto es que no se puede avanzar en el espacio sin avanzar en el tiempo, esto se puede visualizar en un cono de luz:

Esto de ninguna manera es una representación de cómo se ve el espacio-tiempo, solo cómo se comporta en 2 dimensiones de espacio y una de tiempo. Las ondas gravitacionales se producen cuando dos objetos masivos (estrellas binarias) orbitan entre sí y provocan "ondas" en el espacio-tiempo. Nuevamente, se necesita otra visualización en 2D: ingrese la descripción de la imagen aquíesta muestra cómo los potenciales gravitacionales de dos estrellas interactúan en el tejido del espacio-tiempo mientras orbitan, causando la radiación de ondas gravitacionales.

Ambos son solo guías visuales, nunca podremos "ver" las ondas gravitatorias o el propio espacio-tiempo con nuestros propios ojos, es por eso que necesitamos detectores como LIGO o VIRGO para inferir su existencia.

Entonces, cuando digo que el espacio no es nada real sino solo un instrumento teórico de análisis, ¿está bien?
El espacio es real, de lo contrario simplemente no existiríamos, no hay nada teórico al respecto. Las ondas gravitacionales, por otro lado, siguen siendo una teoría porque aún no se han detectado. No entiendo lo que quieres decir con un "instrumento teórico de análisis".
Pensé que el dogma actual era que todo está hecho de otra cosa. Pateando la lata por el camino.
Por "instrumento teórico de análisis" quiero decir que este es solo el teatro en el que todo está sucediendo. Imagine que la próxima semana parece que existen ondas de gravedad. ¿Cuál es la necesidad del espacio mientras que las interacciones entre los planetas están organizadas solo por gravitones? ¿Realmente necesitamos el espacio como algo real?
Ah, está bien, bueno, si asumimos que existen ondas gravitacionales, eso prueba que la teoría de la relatividad general de Einstein es correcta, no altera las propiedades físicas del espacio. Si también se descubre un gravitón, sería simplemente una partícula de calibre que media la fuerza de la gravedad, al igual que los fotones median la radiación EM. Todavía requerirían espacio para existir para poder mediar la fuerza de la gravedad entre los planetas y las estrellas.
@Dean, ¿puedes explicar un poco más tu última oración? ¿Por qué los gravitones necesitan espacio para mediar?
@Marijn Gravitons no son un reemplazo para el espacio, son simplemente un mecanismo por el cual la gravedad actúa dentro del espacio (si se descubre). Sin espacio, todas las fuerzas fundamentales perderían sentido, simplemente no tendrían salida, ¡y nosotros tampoco!
No entiendo: "Sin espacio todas las fuerzas fundamentales perderían sentido". ¿Porqué es eso? ¿Puedes explicar un poco más por qué se necesita espacio?
Si eliminas las 3 dimensiones del espacio, el universo se convierte en un punto. ¿Puedes realmente visualizar un universo en el que no necesites espacio para moverte? No puedes jugar al fútbol sin un campo de fútbol, ​​puedes introducir una nueva superficie (gravitones en lugar de césped) pero no puedes eliminar las dimensiones físicas del campo o perderá su sentido.
Esta respuesta es bastante engañosa porque sugiere que curvar un sistema de coordenadas es lo que significa la curvatura del espacio-tiempo. Eso sería muy incorrecto, por ejemplo, tomar un sistema de coordenadas curvilíneas en un espacio-tiempo plano en cierto sentido representa un cambio no trivial en el campo gravitatorio (específicamente, en el sentido de cambiar los coeficientes de conexión), pero definitivamente no es físicamente significativo, ni tampoco introducir cualquier curvatura. Las coordenadas simplemente no son físicamente importantes; son etiquetas que damos a los eventos.
@Marijn "Imagina que la próxima semana parece que existen ondas de gravedad" - parece que se está haciendo realidad...
¿No están todos los medios hechos de algo? Si el espacio-tiempo es un medio y no está hecho de algo, entonces ¿qué es nada? El espacio no es nada, y no es algo. ¿Entonces que es?

La relatividad general a menudo se explica diciendo que el espacio-tiempo está curvado por la gravedad, ¿qué significa esto?

Significa que la relatividad general se puede formular de una manera en la que sus matemáticas tienen una analogía muy directa con la geometría diferencial en una variedad tetradimensional curva. En otras palabras, la forma en que las partículas de prueba se comportarían bajo la influencia de las fuerzas gravitatorias es exactamente como se comportarían si se movieran libremente en una variedad curva de cuatro dimensiones. Las matemáticas tienen una correspondencia directa: nada más, nada menos.

El electromagnetismo tiene una descripción en la que la intensidad del campo electromagnético es la curvatura de una conexión en un haz de líneas. Me doy cuenta de que esta declaración es muy críptica para alguien que no ha estudiado la teoría de calibre, pero es importante darse cuenta de que una descripción esencialmente geométrica no es especial para la gravedad. Lo especial de la gravedad es que se acopla por igual a todo el estrés-energía-momento, y la caída libre gravitacional de una partícula de prueba es completamente independiente de la composición.

Debido a esta universalidad, es posible interpretar las propiedades del campo gravitatorio como propiedades del espacio-tiempo, es decir, como propiedad de la arena en la que sucede todo lo demás. No tenemos que hacerlo, y de hecho hay algunas presentaciones de la relatividad general (por ejemplo, la de Weinberg) en las que la interpretación geométrica se relega a una nota al margen sin importancia, pero podemos, y la geometría es la forma en que se desarrolló originalmente la relatividad general. .

¿Cómo podríamos percibir una curva en el espacio-tiempo cuando no hay un marco de referencia "recto" externo, por ejemplo?

Podríamos medirlo.

Como una forma conceptualmente (pero no práctica) simple de hacerlo, podríamos configurar una pequeña bola que consiste en partículas de prueba inicialmente comóviles. Sin curvatura del campo gravitatorio, cada una de esas bolas mantendría la misma forma y volumen porque todas las partículas de prueba se mueven en la misma dirección con la misma velocidad. Pero si el campo gravitatorio tiene una curvatura de Ricci, el volumen de la pelota comenzaría a encogerse o expandirse. De manera similar, los cambios en la forma de la pelota darían información sobre la curvatura de Weyl.

Este es el mismo tipo de respuesta que en el caso del electromagnetismo: la intensidad del campo también es una especie de curvatura (aunque no del espacio-tiempo), pero ¿cómo la percibimos? Bueno, podríamos medirlo viendo cómo se comportan las cargas de prueba.

Una cartilla matemática.

Un triángulo sobre una superficie plana tiene tres ángulos, y estos tres ángulos suman 180 grados. Este es un teorema bien conocido de la geometría. También es bien sabido que si dibujas un triángulo en una pelota, los ángulos sumarán más de 180 grados, debido a la curvatura de la pelota. (y si dibujas en un pringles crisp, la suma de los ángulos será inferior a 180).

Una criatura que se arrastrara sobre la pelota podría, observando solo los ángulos, descubrir que la superficie de la pelota era curva. Entonces, la curvatura puede ser observada por una criatura que inspecciona solo partes locales de la pelota, la criatura no necesita poder alejarse de la pelota para observar su curvatura. La curvatura es una propiedad intrínseca.

De manera similar, no necesitamos estar fuera del espacio-tiempo para observar que el espacio-tiempo es curvo. En realidad, los ángulos de los triángulos no suman 180 debido a la curvatura gravitatoria del espacio (pero este efecto es demasiado pequeño para que se note). Podemos percibir una curvatura en el espacio-tiempo sin que el espacio-tiempo tenga que estar "en" nada más.

La consecuencia más obvia de la curvatura del espacio-tiempo es que las cosas caen hacia el centro de la Tierra.

En algún nivel, debe recordar que la relatividad general describe un modelo teórico de cómo funciona la mecánica gravitacional. Ese modelo incluye coordenadas para el tiempo y el espacio, y en este modelo el espacio-tiempo es una construcción matemática , que nos permite predecir con extrema precisión el comportamiento de los objetos bajo la influencia gravitatoria.

"el espacio-tiempo es una construcción matemática": ¿Entonces no tiene que existir, como el teorema de Pitágoras no es necesario tener un triángulo?
@Marijn Esa no es una buena analogía, porque la segunda parte de su declaración es un reflejo del hecho de que el teorema de Pitágoras solo es válido para triángulos rectángulos.

La relatividad general a menudo se explica diciendo que el espacio-tiempo está curvado por la gravedad, ¿qué significa esto?

Esto suena dudoso.

La gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo causada, entre otras cosas, por objetos masivos como estrellas, planetas, etc. En otras palabras, la gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo.

¿Cómo podríamos percibir una curva en el espacio-tiempo cuando no hay un marco de referencia "recto" externo, por ejemplo?

Al igual que las respuestas anteriores, esto se logra a través de observaciones o mediciones experimentales. Por ejemplo, Eddington midió la curvatura de la luz alrededor del limbo del Sol, lo que no hubiera sido posible si no fuera por la curvatura.

La relatividad general a menudo se explica diciendo que el espacio-tiempo está curvado por la gravedad, ¿qué significa esto?

El comentario de este OP redujo la pregunta:

¿Entonces [el espacio-tiempo] no tiene que existir, como el teorema de Pitágoras no es necesario tener un triángulo? — Marijn 04 feb.

El espacio-tiempo es un mapa y no un territorio. El espacio-tiempo es un modelo. En otras palabras, es algo que existe en el cerebro humano, para ayudar a ese cerebro a predecir exactamente las experiencias futuras a partir de experiencias previas. Por ejemplo, el concepto de espacio-tiempo (en el contexto de la Teoría General de la Relatividad) te ayuda a predecir que existe la lente gravitatoria. Tu cerebro está mejor equipado para procesar en ese nivel, en lugar de calcular la misma imagen tomando un montón de fotones individuales y aplicando las ecuaciones a cada fotón.

Ejemplo de lente gravitacional

Un "modelo" dentro de un cerebro se crea imaginando algo muy cercano a la realidad y luego eliminando deliberadamente los detalles hasta obtener algo tan simple que se vuelve computable . Te olvidas de todos los atributos de una estrella (color, civilizaciones extraterrestres a su alrededor, su prehistoria, su dinámica interna) y solo piensas en la estrella como la masa, etc. De esta manera conviertes la "imaginación iluminadora" en un "mecanismo primitivo utilizable para predecir experiencias".

Marjin, me gustaría decir que me encanta el estilo de tus preguntas y me he inscrito especialmente para intentar responder esta pregunta.

No puedo decidir si no estoy de acuerdo con lo que dices sobre "el espacio-tiempo simplemente existe en el cerebro humano". Puedo ver lo que intentas decir, pero creo que es una mala elección de palabras, si eliminas el cerebro humano, el espacio-tiempo seguirá existiendo. solo que no tendrá ningún ser humano para darle el nombre de "espacio-tiempo"
No @Decano. Pareces mezclar el mapa con el territorio. Déjame preguntarte: ¿tu afirmación adicional "el espacio-tiempo existe fuera de mi cerebro" te permite predecir alguna experiencia adicional ? Como teoría científica, ¿es experimentalmente falsable?
Sé lo que dices sobre el mapa y el territorio, solo creo que es una mala elección de palabras que podría malinterpretarse que el espacio-tiempo es solo una fabricación del cerebro humano. Es como la mayoría de las matemáticas, no las inventamos, simplemente las descubrimos. No entiendo tu pregunta sobre experiencias, ¿quieres decir como la fuerza de la gravedad? Sin embargo, tengo una pregunta para ti, si el espacio-tiempo es el mapa, ¿cuál es el territorio?
Las experiencias, especialmente los experimentos, son las señales que llegan a tu cerebro como, por ejemplo, "oh, veo que estas galaxias parecen curvarse en esa imagen". Usas las matemáticas para tratar de predecir experiencias futuras. Lo haces dentro de tu cerebro. Predecir experiencias futuras es bueno para ti, porque te permite matar a ese gran mamut y tener mucha carne gorda para el invierno. Argumentar que las matemáticas también existen fuera del cerebro no tiene sentido porque no ayuda a atrapar la carne; también lo llaman la navaja de Occam.
@Dean, si las matemáticas se descubren o se inventan, es una cuestión filosófica que ciertamente es cuestionable en cualquier dirección, pero ninguna de las afirmaciones tiene contenido científico. Digamos que su posición al respecto está lejos de ser universalmente compartida.
Si se dice que el espacio-tiempo es un modelo inventado, ¿qué pasa con la distancia? ¿La palabra distancia es suficiente para expresar las curvaturas y la distancia también está solo en tu cabeza?
@Marijn Nota: kubanczyk no dijo que las cosas solo existen dentro de tu cabeza. Simplemente dijeron que no agrega nada científicamente afirmar que las cosas existen fuera de tu cabeza. Como aludió Stan Liou, afirmar que las cosas solo existen dentro de tu cabeza tampoco agrega nada científicamente. Son cuestiones filosóficas sin relevancia para la ciencia, porque la ciencia no puede resolverlas. De hecho, no estoy seguro de que la pregunta se pueda resolver en absoluto. ¿Cómo harías para saber si la realidad es una ilusión? Si dejas de experimentar la realidad, no tienes forma de saber si persiste sin ti.
@Marijn Pero esta es una filosofía que está fuera del alcance de este sitio.
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