Espacio y tiempo absoluto

El espacio y tiempo absoluto son conceptos en física y filosofía sobre las propiedades del universo. En física, el espacio y el tiempo absolutos pueden ser un sistema de referencia preferente.

Antecedentes

En la física aristotélica se puede ver una versión del concepto de espacio absoluto (en el sentido de sistema de referencia preferente). Robert S. Westman escribe que se puede observar una "bocanada" de espacio absoluto en De revolutionibus orbium coelestium de Nicolás Copérnico, donde utiliza el concepto de una esfera inmóvil donde se localizan las 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:Plantilla:CitaSegún Newton, el tiempo absoluto existe independientemente de cualquier perceptor 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 medida de objetos perceptibles en movimiento (como la Luna o el Sol). De estos movimientos inferimos el paso del tiempo.Plantilla:Cita

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 relativo al 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 rotatoria solitaria gira sobre su eje relativo al 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.

Diferentes puntos de vista

Dos esferas orbitando alrededor de un eje. Las esferas están lo suficientemente distantes como para que sus efectos mutuos puedan ignorarse, y están unidas por una cuerda. Si la cuerda está bajo tensión es porque los cuerpos giran respecto del espacio absoluto según Newton, o porque giran respecto del propio universo según Mach, o porque giran respecto de geodésicas locales según la relatividad general.

Históricamente, 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 ubicación relativa de los cuerpos, y el tiempo no tenía sentido excepto como movimiento relativo de los cuerpos. George Berkeley sugirió que, a falta de cualquier punto de referencia, no se podría concebir que una esfera en un universo por lo demás vacío rotara, y se podría concebir que un par de esferas rotaran una con respecto a la otra, pero no que rotaran alrededor de su centro de gravedad, un ejemplo planteado posteriormente por Albert Einstein en su desarrollo de la relatividad general.

Ernst Mach formuló una forma más reciente de estas objeciones. El principio de Mach propone que la mecánica trata enteramente del movimiento relativo de los cuerpos y, en particular, la masa es una expresión de dicho movimiento relativo. Por ejemplo, una partícula aislada 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.

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 dentro del contexto de la mecánica newtoniana, la visión moderna es que el espacio absoluto es innecesario. En cambio, ha prevalecido la noción de marco de referencia inercial, es decir, un conjunto preferente de marcos de referencia que se mueven uniformemente unos con respecto a otros. Las leyes de la física se transforman de un sistema inercial a otro según la relatividad galileana, lo que conduce a las siguientes objeciones al espacio absoluto, como lo describe Milutin Blagojević:Plantilla:CitaEl propio Newton reconoció el papel de los marcos inerciales.Plantilla:CitaEn la práctica, los sistemas inerciales suelen tomarse como sistemas que se mueven uniformemente con respecto a las estrellas fijas.

Definiciones matemáticas

El espacio, tal como se entiende en mecánica newtoniana, es tridimensional y euclidiano, con una orientación fija. Se denota E³. Si algún punto O en E³ es fijo y definido como origen, la posición de cualquier punto P en E³ está determinada únicamente por su radio vector $𝐫=\overrightarrow{OP}$ (el origen de este vector coincide con el punto O y su final coincide con el punto P). El espacio vectorial lineal tridimensional R³ es un conjunto de todos los vectores de radio. El espacio R³ está dotado de un producto escalar ⟨ , ⟩.

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 de tiempo.

El movimiento (también camino o trayectoria) es una función r: Δ → R³ que asigna un punto en el intervalo Δ desde el eje del tiempo a una posición (vector de radio) en R³.

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

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

Relatividad especial

Los conceptos de espacio y tiempo estaban separados en la teoría física antes del advenimiento de la teoría de la relatividad especial, que conectaba a 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 ubicaciones en el 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,Plantilla:Rplo que niega la simultaneidad absoluta.

Einstein

Como se cita a continuación de sus artículos posteriores, Einstein identificó el término éter con "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. Plantilla:CitaPlantilla:Cita

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 a través del concepto de geodésicas.Plantilla:RpParece 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.