¿Qué fundamenta la diferencia entre espacio y tiempo?

@Kathryn Boast Supongo que está buscando una respuesta basada en la evidencia experimental disponible que tenemos sobre la naturaleza, no en nuevas especulaciones salvajes que no están firmemente establecidas y respaldadas por experimentos. Es muy interesante ver cómo una pregunta tan simple como esta, nos tiene a muchos dando vueltas… Hay varias respuestas que uno puede dar, dependiendo de si su marco de referencia es Mecánica Cuántica, Relatividad Especial, Relatividad General, Super Cuerdas. Teorías, Termodinámica, Filosofía, etc. Sin embargo, hay un aspecto del espacio y el tiempo que es el cordón umbilical bajo todos estos puntos de vista. Este es el hecho de que el espacio y el tiempo están unidos por la velocidad de la luz, c, y forman la única estructura geométrica que llamamos espacio-tiempo. Si no fuera por la invariancia y constancia de la velocidad de la luz, esta estructura espacio-temporal sería imposible. Nuestra ignorancia sobre este papel fascinante que juega la luz en la naturaleza, antes de que Einstein nos lo enseñara, nos había llevado a la noción de que el espacio y el tiempo son totalmente diferentes entre sí. Se puede decir que la única diferencia entre estos dos es su funcionalidad. El espacio ofrece el 'espacio' para que la materia exista y se mueva, y el tiempo ofrece la posibilidad de realizar un seguimiento de lo que está haciendo la materia y en qué orden. Esta opinión ha sido expresada de diversas formas por algunos de los otros encuestados. y el tiempo ofrece la facilidad de seguir la pista de lo que está haciendo la materia y en qué orden. Esta opinión ha sido expresada de diversas formas por algunos de los otros encuestados. y el tiempo ofrece la facilidad de seguir la pista de lo que está haciendo la materia y en qué orden. Esta opinión ha sido expresada de diversas formas por algunos de los otros encuestados.

En cuanto a la última parte de la pregunta, sí, hay muchas ecuaciones en física que 'predicen' lo que sucede en todo el espacio, globalmente, en un instante particular en el tiempo. Tomemos, por ejemplo, el potencial escalar electromagnético V(x, y, z, t), elija un valor particular para el tiempo y obtendrá lo que le sucede a V en todo el espacio (x, y, z), resolviendo la ecuación diferencial de Poisson . Otro ejemplo famoso es la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. Fijando el tiempo en un instante particular, la solución de la ecuación te dará lo que está sucediendo en otras partes del espacio, en un sentido probabilístico, por supuesto.

Experimentamos el espacio y el tiempo de manera muy diferente. Desde el punto de vista de la física, ¿qué fundamenta fundamentalmente esta diferencia?

Kathryn, en cierto sentido tu pregunta se responde sola. Puede que no sea el sentido más satisfactorio, pero es importante.

La distinción es la que hizo Einstein por primera vez cuando propuso la relatividad especial, antes de que su antiguo profesor Minkowski reformulara la teoría de Einstein en términos más gráficos: el tiempo es el tictac de un reloj, es decir, la cuantificación de procesos cíclicos medibles. Al principio , Einstein no intentó enmarcar esta idea en términos muy gráficos, pero, por supuesto, lo hizo más tarde, después de algunas leves quejas iniciales acerca de cómo Minkowski había hecho que su propia teoría fuera incomprensible para él.

Por supuesto, es trivialmente fácil tomar el concepto de tictac regulares del reloj y convertirlo en un concepto de distancia, pero no es un mapeo trivial desde la perspectiva de lo que debe estar disponible para hacer el mapeo. Simplemente parece así porque, como organismos capaces de existir y sobrevivir en nuestro universo particular, venimos preequipados con el hardware necesario y con una situación que hace que la idea tenga sentido.

¿Suena todo eso demasiado complicado para algo tan simple como contar los tictacs de un reloj y luego representarlos a lo largo de una línea similar a una longitud? Realmente no.

No se puede acceder al pasado como se puede acceder a la distancia, entonces, ¿dónde reside el conocimiento del pasado? En algo llamado "memoria" o "dispositivo de almacenamiento", que debe ser independiente de la parte del reloj que hace el tictac. Entonces, tienes memoria.

No se puede interpretar la memoria sin algún conjunto de operaciones que reconozcan y puedan actuar sobre tal representación de ciclos pasados, tratándolos dentro de algún tipo de construcción muy diferente como si existieran nuevamente. Tales operaciones constituyen una forma de inteligencia, incluida una capacidad bastante notable para "simular" o reproducir la física de un evento pasado, a pesar de que no queda nada de ese evento, excepto un patrón de información muy tenue (en sí mismo un concepto muy extraño) sobre las características clave de ese evento pasado. Esta capacidad colectiva de simular y operar sobre imágenes tenues, efímeras y extraordinariamente incompletas del pasado, pero de alguna manera lograr una reproducción significativa de sus consecuencias, la llamamos "inteligencia".

Pero, ¿cómo es eso posible? Parece bastante absurdo que representaciones tan delgadas puedan, de hecho, hacer predicciones significativas de una colección de materia y energía mucho más densa y tremendamente compleja.

Allí, el universo mismo nos ayuda a ambos al estar basado no en el caos total, sino en reglas de operación delgadas, simples y uniformes. En el caso del tiempo, el universo nos ayuda enormemente al ser rico en algo llamado ciclos , o repeticiones casi exactas de patrones. La luz es ciclo. Los electrones que giran alrededor de los átomos son ciclos. Las órbitas de los planetas y los cuerpos son ciclos. Las vibraciones de la materia, incluido el suave vaivén de un péndulo en un reloj de pie, son ciclos.

¿Entonces los ciclos son simples? ¡No, rotundamente no! Los ciclos son paseos por el filo de la navaja, con el caos por un lado y la simplicidad congelada y encerrada por el otro. Los planetas tienen órbitas cíclicas, pero agregan demasiados cuerpos o demasiado tiempo y sus ciclos simples se autodestruyen en alguna forma de caos. Pero si va por el otro lado y bloquea los ciclos en una uniformidad tan extrema que no hay cambios medibles de ningún tipo de un tic al siguiente, no logra un reloj, sino un oscilador perfecto que no tiene más sentido del tiempo que el mundo. del caos

Es solo ese equilibrio cuidadoso de ciclos reconocibles pero ligeramente diferentes, es decir, de patrones repetidos que una inteligencia puede mirar y decir "esa sigue siendo la misma luz, o ese sigue siendo el mismo péndulo, a pesar de los ligeros cambios en la posición". o energía o momento", que hace posible el tiempo medible, y a través de eso permite que la inteligencia, la memoria más operaciones significativas similares a las de simulación que de alguna manera imitan y predicen el mundo externo, perciban el "tiempo". En la relatividad especial, este concepto cíclico del tiempo suele estar representado por el concepto de "tiempo propio".$\tau$, que es el tiempo medido por un reloj real.

Para lograr un tiempo similar a la longitud solo se requiere un paso más comparativamente simple, pero ese último paso también corre el mayor riesgo de engañarnos. Tomamos nuestro modelo y sacamos cuentas de ciclos casi idénticos, y decimos "esto es como una línea, esto es como una longitud. Representaré la progresión de los ciclos como una longitud, usando esta distancia X que tomé prestada del mundo que puedo percibir en este momento Llamaré a este eje "tiempo" o$t$, y postularé que existe además de los ejes de longitud que puedo percibir directamente.

Es un muy buen postulado, y la relatividad especial en particular nos brinda de inmediato una justificación no trivial al mostrarnos experimentos en los que la forma más fácil de modelar los resultados de velocidades cercanas a la velocidad de la luz como casos donde el eje del "tiempo"$t$del objeto acelerado se ha doblado y rotado en uno de los ejes XYZ del observador. Pero incluso allí, ¡cuidado! Los eventos reales que se miden son nuevamente en términos de ciclos: los ciclos o$\tau$el tiempo del objeto observado parece (para el observador) estar más lento. Esa desaceleración se puede mapear nuevamente en un concepto de tiempo similar a la longitud, pero el mapeo aún existe. Incluso allí, el tiempo como medida similar a la longitud es indirecto de una manera que debe reconocerse como parte del proceso, si desea una imagen más completa.

La conclusión de todo esto es que si quiere pensar con claridad sobre conceptos complejos o avanzados del tiempo, no se olvide de los viejos y cíclicos$\tau$el tiempo como punto de partida de todos los conceptos de tiempo. Es un concepto engañosamente complicado, que dice, por ejemplo, que la física clásica es tan "dependiente del observador" como la física cuántica. ¿Por qué? Porque cada vez que usas$t$en una ecuación de la física clásica, tienes ciclos implícitos, tenues y efímeros recuerdos de ciclos, y notables operaciones conscientes que usan esos brumosos recuerdos para comprender y predecir lo que sucederá a continuación, y luego razonar sobre ellos.

Cuando tu dices$t$, implicas$\tau$, y cuando insinúas$\tau$... nos implicas.

Has hecho más de una pregunta. En su último párrafo, creo que su pregunta principal es esta:

... si aquí invertimos los roles del tiempo y el espacio, y en su lugar damos información sobre un solo punto del espacio para todo el tiempo, parece que no podemos predecir espacialmente. ¿Existen ecuaciones en física que puedan considerarse para predecir a través del espacio (para un tiempo dado)

No.

Una porción similar al espacio (subespacio) del espacio-tiempo almacena información, mientras que una porción similar al tiempo (una línea de mundo) no lo hace. Más concretamente, la forma en que se define una "partícula" es un intento de eliminar la mayor cantidad posible de información variable, de modo que se enfatice la continuidad de las cantidades conservadas, como la masa, la carga y el espín.

En la física clásica, este enfoque en el reduccionismo a lo largo del eje del tiempo no deja mucho más que la historia de cómo la partícula fue "golpeada", al estilo de una bola de billar, a medida que se mueve en su camino a través del tiempo. Esas desviaciones proporcionan una pequeña cantidad de información sobre el universo como un todo, pero la información total codificada es bastante trivial en comparación con la contenida en cualquier porción similar al espacio, y ciertamente nunca es suficiente para reconstruir el universo como un todo. La cantidad de información contenida en el camino de una sola partícula también es muy variable. Se acerca a cero en el caso de una partícula que simplemente se sienta en un rincón muy oscuro del espacio intergaláctico y nunca interactúa con casi nada, por lo que en ese caso te quedas en la oscuridad sobre todo lo demás que sucede en el espacio.

Por cierto, puede que te preguntes por qué al definir los segmentos de tiempo me he centrado en las líneas de mundo de las partículas individuales, en lugar de decir un solo punto fijo en el espacio desde el principio hasta el final del universo. Podrías usar el último enfoque, y da el mismo resultado, ya que, por ejemplo, un solo punto oscuro en el espacio intergaláctico profundo tiene incluso menos información sobre el resto del universo que una partícula muy aburrida sentada allí. Sin embargo, no uso esa definición porque "dónde" ese punto específico en el espacio realmente se enreda rápidamente con la cuestión de "dónde está en relación con algún conjunto de líneas de mundo de partículas". Dado que esa es la única forma de hacer que tal afirmación tenga sentido, es más fácil y más honesto simplemente comenzar con las líneas de tiempo de las partículas.

También anotaste en tu segundo párrafo:

... La dimensionalidad (el hecho de que haya tres dimensiones espaciales pero solo una temporal) seguramente no puede ser suficiente ...

Sí. De hecho, si miras lo que acabo de escribir, se aplica tanto a una proporción de 1 a 1 de ejes espaciales a ejes de tiempo como a una proporción de 3 a 1. El tiempo es simplemente el eje de conservación de la cantidad (por ejemplo, la masa), mientras que el espacio es el eje en el que se expresan las relaciones (información) que capturan las configuraciones relativas variables de esas cantidades conservadas.

Entonces, ¿qué tiene que ver todo esto con mi respuesta anterior sobre el tiempo que opera primero como cíclico en lugar de como una longitud? Un poco, en realidad. Los ciclos son simplemente patrones repetitivos de relaciones entre las cantidades conservadas similares a partículas conservadas. Entonces, la masa conservada a lo largo del tiempo de un planeta orbita la masa conservada de manera similar del sol, y a partir de ese patrón detectablemente similar definimos como el año.

No es que no puedas tener cambios sin ciclos. Es solo que sin el concepto de "repetición" de algunos patrones, no se puede crear un concepto verdaderamente métrico del tiempo que, al igual que el espacio, incluya longitudes y distancias definidas. Eso hace que la versión temporal de "distancia" sea bastante extraña y mucho más complicada que la versión espacial.

¿Existen ecuaciones en física que se puedan considerar para predecir a través del espacio (para un tiempo dado)?

Si quita el tiempo de la ecuación, entonces quita el "cambio" de la ecuación. (Y sin cambios, las cosas siguen siendo las mismas "todo el tiempo".)

Si elimina todo el tiempo de la ecuación, excepto un momento específico, elimina la causalidad de la ecuación. Las cosas que suceden al mismo tiempo en diferentes lugares, no pueden tener una relación causal en ese momento.

Una "predicción a través del espacio" para un punto específico en el tiempo parecería aleatoria. Por lo tanto, aunque no soy un estudiante de física, me parece que lógicamente no puede haber tales ecuaciones, por definición.

Experimentamos el espacio y el tiempo de manera muy diferente. Desde el punto de vista de la física, ¿qué fundamenta fundamentalmente esta diferencia?

Desde el punto de vista de la física, no creo que haya una respuesta aceptada. He visto explicaciones basadas en "causalidad", así como en "entropía", así como en "no hay diferencia, es espacio-tiempo".

Esto puede deberse a que la física no necesariamente parece coincidir o explicar lo que "experimentamos". Muchas leyes físicas son reversibles en teoría, pero nunca las observamos al revés. Otras leyes son meramente estadísticas (como la entropía), pero nunca vemos a la naturaleza "tirar dos seises" (¿o cuándo fue la última vez que viste la leche y el café desmezclarse?)

Uno de los puntos más interesantes sobre el "tiempo" con el que me encontré es el hecho de que sin tiempo no habría espacio. Si no hubiera tiempo, sino espacio, entonces podrías ir a cualquier parte en poco tiempo. Esto es equivalente a decir que puedes estar en todas partes al mismo tiempo, y esto es lo mismo que decir que no hay espacio porque no hay diferencia entre diferentes puntos en el tiempo.

Antes de leer mi respuesta, tenga en cuenta que solo soy un estudiante universitario, por lo que podría no ser del todo correcto cuando se trata de preguntas tan profundas.

El tiempo y el espacio son fundamentalmente diferentes. En el caso de la mecánica cuántica, la posición es un observable, pero el tiempo es un parámetro. Y en la teoría de campos, incluso el espacio se convierte en un parámetro junto con el tiempo. Aunque la transformación de Lorentz conecta las dimensiones espaciales y las dimensiones temporales, todavía hay una diferencia. En una transformación de lorentz, no hay transformación de$t \rightarrow -t$, pero la rotación puede tomar$x \rightarrow -x$. Físicamente significa que el tiempo es unidireccional, es decir, en todos los procesos físicos uno no puede pasar de$t_1 \rightarrow t_2$tal que$t_1 > t_2$, pero una partícula en el espacio puede ir tanto en dirección positiva como negativa.

La discusión filosófica de esto se puede iniciar desde las Paradojas de Zeno y tendrá miles de páginas, pero físicamente hablando tenemos menos opciones:

En física, el tiempo va en una dirección, y la razón más fundamental es: causa y efecto (se pueden construir otras razones, pero esta es la más intuitiva y fundamental), esto hace que el tiempo no sea inmediatamente equivalente a las dimensiones espaciales, y fuerzas de causa y efecto en cuanto a "numerar" eventos, tal que el primer evento, luego el segundo evento que es el efecto del primero ... etc., esta numeración crea la "ilusión" de la posibilidad de medir el tiempo, y digo ilusión porque en este contexto parece que esta numeración es absoluta, pero no lo es porque la relatividad nos dice que la velocidad de intercambio de información es limitada, entonces esta "numeración" es relativa.

Esta posibilidad de medida nos dice que el tiempo es muy similar a las dimensiones espaciales, aun así no se debe violar causa y efecto, pues ese espacio de Minkowski es en realidad pseudo-euclidiano, y no euclidiano, esto le da al tiempo su merecida posición: se puede medir como dimensiones espaciales, pero todavía no lo mismo que dimensiones espaciales, porque es responsable de "parametrizar" causa y efecto.

Con respecto a

Es decir, si recibimos suficiente información sobre el estado del mundo en un momento dado, podemos predecir (aparte de las consideraciones cuánticas) el estado futuro del mundo.

A este se le puede dar una explicación muy profunda en el marco de la foliación de paquetes que se usa en geometría diferencial, si está familiarizado con este tema, puedo explicárselo.

Supongo que el tiempo es especial para nosotros por definición (asumiendo que el universo está causalmente conectado).

No especularía sobre lo que sería si hubiera 3 dimensiones de tiempo y 1 espacial, imaginemos que vivimos en 1+1 dimensiones. Entonces todos los observadores/partículas/personas/gatos/animales del bosque/etc se dividirían en tres grupos: 1) Los que se mueven a la velocidad de la luz con respecto a cualquiera de los otros grupos, 2a) Los que, se mueven más lento que el velocidad de la luz entre sí, 2b) Otro grupo, cuyos miembros también se mueven más lento que la velocidad de la luz entre sí, pero para quienes los miembros de 2a) se mueven más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, 2a y 2b no pueden interactuar, porque violaría la causalidad para cada uno de ellos.

Para hacerlo más ilustrativo, imagina que pertenecemos a un grupo 2a. Nada puede acelerarse a la velocidad más rápida que la luz, está bien (excepto la luz misma, que pertenece al grupo 1). Si uno imagina algo más rápido que la luz, se llama taquiones, por lo que pertenecerían al grupo 2b. Sin embargo, los taquiones violarían la causalidad, si pudieran interactuar con nosotros (habría sistemas de referencia donde el efecto precede a la causa). Por lo tanto, no vemos taquiones y tenemos nuestra propia coordenada de tiempo definida de esta manera.

Sin embargo, podría haber escrito el mismo párrafo, reemplazando 2a con 2b y viceversa. Si fuéramos taquiones, también podríamos decir que evolucionamos en el tiempo, y las leyes de la física serían las mismas para nosotros. De ahí la respuesta a tus primeras preguntas: Pertenecemos a uno u otro grupo, y eso hace que una coordenada sea especial con respecto a la otra, y por eso se llama tiempo.

Se podría argumentar (ver otras respuestas) que el razonamiento anterior contradice la mecánica cuántica clásica. Sin embargo, no es así, si se considera la mecánica cuántica relativista en lugar de la no relativista, a menos que se consideren medidas cuánticas. Otro argumento, quizás, sería que nuestra conciencia no necesita estar orientada en el tiempo. O, en otras palabras, uno podría preguntarse, ¿por qué se necesita tiempo para pensar? La respuesta a esto no lo sé. Finalmente, se podría referir a procesos irreversibles, como el aumento de entropía en los sistemas que adquieren el equilibrio, como otro caso, donde el tiempo juega un papel especial.

Todo esto quizás tenga algo que ver con el hecho de que nuestra conciencia está alineada con el tiempo, por lo que tendemos a escribir leyes físicas en forma dependiente del tiempo y especificar condiciones iniciales en un tiempo constante. Para procesos reversibles, las leyes también se pueden escribir en una forma, donde las coordenadas espaciales son un argumento. Sin embargo, por lo general, no tenemos condiciones de contorno que proporcionar para resolver las ecuaciones. Entonces, debido a la conciencia, tal enfoque no es práctico. Sin embargo, puede ser práctico para los casos en los que no tenemos que especificar condiciones de contorno, por ejemplo, para ecuaciones de onda relativistas.

Por lo tanto, la respuesta a su segunda pregunta es sí, hay muchas ecuaciones de este tipo (como la ecuación de onda, por ejemplo), que permiten predicciones, considerando x como una coordenada de tiempo. Sin embargo, algunos no parecen permitir tales predicciones (como las ecuaciones que tratan con procesos irreversibles) y para algunos no es posible escribir condiciones de contorno (iniciales) útiles en la práctica.

Lo que marca la diferencia es que el orden del Tiempo está hecho por la presencia de la memoria. Es decir, la conciencia crea la "flecha del Tiempo".

Creo que el tiempo y el espacio son sustancialmente equivalentes pero difieren en la escala de su ciclo. cuando te mueves en el espacio, puedes dar la vuelta, volver al principio o seguir demasiado infinito y terminarás en el punto de partida, este es al menos para mí el significado de la visión determista. con el tiempo es lo mismo, pero la causalidad te impedirá simplemente dar la vuelta y retroceder en el tiempo, el punto de partida ha cambiado demasiado de aspecto (causado por los otros actores) y no lo reconocerás, pero esto también es cierto si tú moverse en el espacio. Otro punto es que creo que nadie de nosotros toma en cuenta el axioma de elección. Esto significa que el futuro nunca estará determinado por el presente, pero el pasado es inmutable y fijo. por ejemplo, tome el juego de la vida de Conway: personalmente diría que el juego debe jugarse al revés, porque en el juego cada posición tiene uno y solo un futuro seguidor, pero una infinidad de pasados ​​precursores. en realidad me parece exactamente lo contrario. Pero ahora ese es mi punto: si vamos más allá del horizonte del evento y nos piden en voz alta que vayamos todo el tiempo que sea necesario para encontrar una constelación a la que en algún futuro el juego conducirá para llevarnos de vuelta al punto de partida. es claro que esta constelación debe ser posible y si es posible significa que tiene que existir. todavía otro punto: nuestra memoria puede almacenar eventos pasados ​​en mente y recuperar alguna simulación y recordarnos el pasado. debe haber alguna forma material de guardar o encerrar eventos pasados ​​en nuestra mente y si fue solo un fotón que recibimos por nuestros ojos. ahora en el momento de recordar, tenemos que construir algún tipo de conexión con este pasado y qué más hay que viajar en el tiempo. Aquí quizás era solo un electrón, pero lo que era posible para este electrón debe tener una verdad básica en este mundo. al final, el axioma de elección no puede ser ignorado y debe ser tomado en cuenta por algún intento matemático serio para definir este mundo tal como lo observamos. ningún cuerpo puede simplemente darse la vuelta y volver a empezar. ni en el espacio ni en el tiempo; simplemente no es como yo percibo este mundo y no olvides que las matemáticas son sacadas de la mente humana y reflejan solo una parte del mundo. No debe ser ignorada y debe ser tenida en cuenta por algún intento matemático serio de definir este mundo tal como lo observamos. ningún cuerpo puede simplemente darse la vuelta y volver a empezar. ni en el espacio ni en el tiempo; simplemente no es como yo percibo este mundo y no olvides que las matemáticas son sacadas de la mente humana y reflejan solo una parte del mundo. No debe ser ignorada y debe ser tenida en cuenta por algún intento matemático serio de definir este mundo tal como lo observamos. ningún cuerpo puede simplemente darse la vuelta y volver a empezar. ni en el espacio ni en el tiempo; simplemente no es como yo percibo este mundo y no olvides que las matemáticas son sacadas de la mente humana y reflejan solo una parte del mundo.