estructura espacio tiempo

[vieri]

hola buenas, soy un nuevo miembro de esta web y me gustaria conocer diferentes opiniones de lo qe considereis vosotros de qe esta formado la estrucura espacion tiempo. por ejemplo: un globo esta lleno de aire. el universo esta lleno solo de energia? gracias

[jcarlosfis]

Re: estructura espacio tiempo

Hola. Bueno la respuesta a tu pregunta todavia es una gran interrogante para la cosmologia, creo que lo que preguntas es: ¿De que esta compuesto el universo?
Hay un par de teorias que tratan de explicar de que esta compuesto nuestro universo, una de las mas aceptadas es la de la materia oscura y la de la energia oscura.
La idea de materia oscura surgio a raiz del estudio de las rotaciones de las galaxias, era de esperarse que las estrellas mas lejanas del centro de la galaxia tuvieran una velocidad menor que las que se encontraban cerca del centro y para sorpresa de los astronomos (decada de los 70) estan estrellas que se encontraban lejos tenian igual velocidad que las que se encontraban cerca. La respuesta que surgio para explicar dicho fenomeno era utilizando el concepto de materia oscura (ya planteado con anterioridad); dicho materia oscura proporcionaba la gravedad que faltaba para causar dicha aceleracion. El problema de la materia oscura es que no se ha detectado experimentalmente y su deteccion es muy dificil debido a que la materia oscura no esta compuesta de atomos, pero se sabe que tiene masa debido a que proporciona la fuerza de gravedad que hace falta en el universo para poder explicar el movimiento de las galaxias. Hay un grupo de astrofisicos que intentan detectarla, trabajan un una de las minas mas profundas en el mundo ubicada en el norte de Gran Bretaña y llevan 16 años tratando de buscarla sin tener exito.

La idea de la energia oscura surgio debido a los estudios de unos astronomos (1998) que trataban de medir la aceleracion del universo. Esperaban que el universo se estuviera desacelerando debido a la atraccion gravitatoria de toda la materia que compone el universo, pero encontraron todo lo contrario, el universo se estaba acelerando cada vez mas y mas.
Ahora era cuestion de responder de donde venia la energia que causaba que se acelerase, asi que denominaron energia oscura a la energia que provocaba dicha aceleracion.

Ahora parece que tienen argumentos contundentes y cifras ya que se dice que el universo esta compuesto por 5% de materia compuesta por atomos, 20% de materia oscura y 75% de energia oscura.

Hay un pequeño grupo de cientificos que no creen en nada de esto y trabajan con otras teorias que ellos llaman gravedad variable en donde tratan de explicar todo estos fenomenos sin utilizar el supuesto de la materia oscura.

Saludos
PD: Nada de esto es tan facil como parece se necesitaron años y millones de dolares para llegar a estos resultados de materia oscura y energia oscura y todavia no se sabe a ciencia cierta la respuesta.

[carroza]

Re: estructura espacio tiempo

hola buenas, soy un nuevo miembro de esta web y me gustaria conocer diferentes opiniones de lo qe considereis vosotros de qe esta formado la estrucura espacion tiempo. por ejemplo: un globo esta lleno de aire. el universo esta lleno solo de energia? gracias

Hola. Voy a intentar responder a tu pregunta, separando lo que sabemos bien, de lo que aun no sabemos. Seguro que hay en el foro gente mas experta que yo, que puede corregir las imprecisiones de lo que aqui expongo.

Desde 1905 (Teoria de la relatividad especial de Einstein) sabemos que existe el espacio-tiempo, y no el espacio y el tiempo por separado. Esto quiere decir que el tiempo (y el espacio) dependen del sistema de referencia, mediante unas expresiones que se llaman las transformaciones de Lorentz.

Desde 1915 (Teoria general de la relatividad) sabemos que el espacio-tiempo no es plano, sino que es curvo en general. La curvatura se describe mediante una matriz 4x4, que se llama el tensor métrico. La presencia de materia (o la energia, que son equivalentes) son las que provocan la curvatura del espacio tiempo.

Tambien sabemos que el espacio-tiempo se esta expandiendo. Esto, en principio es plenamente consistente con las ecuaciones de la relatividad general.

Muy recientemente, se ha descubierto que el espacio-tiempo se expande de forma acelerada, y no de forma frenada, como cabria esperar de las ecuaciones de Eintein sin constante cosmológica.

Esto lleva, como te dice jcarlosfis , a una imagen del universo formada por materia "normal" (que produce efectos gravitatorios y electromagneticos), materia "oscura" (que produce efectos gravitatorios pero no electromagneticos), y "energia oscura" (algo que produce una expansion acelerada del universo, como la constante cosmologica).

En resumen: la "estructura" del espacio-tiempo se conoce bien. Es una estructura matematica dada por la geometria diferencial que desarrolló Riemann en su tiempo.

Las causas de esa "estructura", son, segun las ecuaciones de Einstein, la densidad de materia (normal y oscura) y la constante cosmologica (energia oscura). El origen, y la naturaleza de la materia oscura y de la energia oscura son lo que quedan por determinar.

[Adosgel]

Re: estructura espacio tiempo

¿De qué está formada la extructura del espacio-tiempo?.

Tal como yo lo entiendo y sin hacerme mucho caso, sin capacidad de precisar más, diria que de incompletitud de proceso, de procedimiento de interacción, de retardo de la instantaneida, de la imposibilidad de simultaneidad absoluta. Y todo ello referido a sí mismo en un continuo cambio. Sin cambio, no hay suceso, no hay identidad física y no hay proceso de cambio.

Jo, es que vaya pregunta. A mí me ha gustado mucho la respuesta de carroza....

Es una estructura matematica dada por la geometria diferencial que desarrolló Riemann en su tiempo.

......aunque yo no creo que la conozcamos tan bien.

Saludos.

[Entro]

Re: estructura espacio tiempo

Permiteme que comente algunas cosillas para precisar algunos puntos:

Desde 1905 (Teoria de la relatividad especial de Einstein) sabemos que existe el espacio-tiempo, y no el espacio y el tiempo por separado. Esto quiere decir que el tiempo (y el espacio) dependen del sistema de referencia, mediante unas expresiones que se llaman las transformaciones de Lorentz.

En realidad en relatividad especial el espaciotiempo es único, es el espaciotiempo de Minkowski. Lo que cambia esencialmente es la estructura causal de cada observador, la interrelación entre los conos de luz.

Desde 1915 (Teoria general de la relatividad) sabemos que el espacio-tiempo no es plano, sino que es curvo en general. La curvatura se describe mediante una matriz 4x4, que se llama el tensor métrico. La presencia de materia (o la energia, que son equivalentes) son las que provocan la curvatura del espacio tiempo.

En efecto, pero la curvatura viene descrita por el tensor de Riemann, que depende de la métrica y de sus derivadas.

[alshain]

Re: estructura espacio tiempo

hola buenas, soy un nuevo miembro de esta web y me gustaria conocer diferentes opiniones de lo qe considereis vosotros de qe esta formado la estrucura espacion tiempo. por ejemplo: un globo esta lleno de aire. el universo esta lleno solo de energia? gracias

En mi opinión el título del tema indica más bien otra cosa que esta pregunta. Aquí estás preguntando por el contenido del espacio y el tiempo, o el contenido del universo que conocemos. Esto es objeto de la cosmología, que estudia la composición a gran escala y las densidades medias de cada uno de los componentes que se cree que forman el universo. Sobre el principal de ellos, la energía oscura, ya se ha comentado algo aquí.

Pero lo que me gustaría a mí comentar refiere más bien al título del tema: la estructura del espacio-tiempo. Esto no es necesariamente una pregunta sobre su contenido, sino una pregunta sobre el espacio-tiempo mismo, sobre su naturaleza. Esto es objeto de la física teórica, que intenta entender cuál es la naturaleza de la gravitación y con ella de su manifestación macroscópica o clásica: el espacio-tiempo y su curvatura.

La descripción más precisa sobre su naturaleza - en el sentido de la certeza de una teoría confirmada por gran cantidad de observaciones - nos la proporciona la relatividad general. En ella una de las características fundamentales del espacio-tiempo es que sus puntos individuales carecen de identidad propia. La situación es similar (aunque no igual) a la mecánica cuántica, en la cual intercambiar dos partículas en un conjunto de partículas indistinguibles no cambia el estado del sistema.

Explicar esto con detalle es algo complejo, pero fue puesto de manifiesto con elegancia por Albert Einstein en algo que se conoce como el argumento del agujero. Al final de esta aportación añado un artículo de mi blog sobre este argumento.

Este argumento refleja la covarianza activa de la relatividad general - la simetría frente a un desplazamiento de todos los campos. Desde este punto de vista el espacio-tiempo es algo sin estructura física propia, sino con propiedades físicas sólo en relación con la presencia de materia. Realmente no nos dice mucho sobre lo que es el espacio-tiempo, sino casi más bien sobre lo que no es.

Pero la imagen que tenemos del espacio-tiempo clásico proporcionada por la relatividad general es incompleta, ya que no incluye los principios de la mecánica cuántica. Una descripción cuántica del espacio-tiempo, o en general de la gravitación, es necesaria para tener o acercarse a una teoría consistente del mundo microscópico. Cómo esto ha de cambiar nuestra comprensión de la naturaleza del espacio-tiempo es algo que no sabemos con certeza aún.

Un saludo.

--

La naturaleza del espacio-tiempo y el argumento del agujero

La única forma de poder sacar conclusiones sobre la naturaleza del espacio y el tiempo es acudiendo a la relatividad general, ya que no hay otra teoría que nos diga algo sobre ello.

La relatividad general queda condensada en las ecuaciones de Einstein, que describen cómo la geometría del espacio-tiempo (concrétamente la métrica) se ve modificada por la existencia de materia. Concrétamente, las ecuaciones tienen la forma Guv = k Tuv. La parte izquierda representa la geometría, la cual puede expresarse en función de la métrica del espacio-tiempo que describe distancias e intervalos temporales. La parte derecha representa la energía y el momento de la materia. La letra k es una constante (que contiene G y c) y los subíndices u, v toman valores desde cero hasta tres, dando lugar, por tanto, a dieciseis ecuaciones.

Cuando uno no considera materia en estas ecuaciones obtiene Guv = 0. De esto se obtienen varias clases de soluciones de espacio-tiempos vacíos. Por ejemplo, soluciones cosmológicas con un espacio en el cual el factor de escala a (que da una relación entre la distancia entre dos puntos en dos épocas cosmológicas diferentes) varía proporcionalmente con el tiempo a = K t, con K un número real. Por ejemplo, también, el espacio-tiempo estático y plano de la relatividad especial. Otro ejemplo: Ondas gravitacionales propagándose causalmente (a partir de unas condiciones iniciales impuestas a las ecuaciones) sobre un fondo estático como el de la relatividad general.

Esto nos indica que, en general, la distribución de materia que entra en las ecuaciones Guv = k Tuv no determina la métrica del espacio-tiempo de forma única. Esta situación es similar al electromagnetismo en el cual las distribuciones de carga tampoco determinan las soluciones a las ecuaciones de Maxwell de forma única. Dada una distribución de carga determinada, por ejemplo ninguna (cero carga) en todo el espacio, puede haber perféctamente ondas electromagnéticas viajando por el espacio siempre que las condiciones de contorno o las condiciones iniciales sean las adecuadas. Resumiendo, dadas unas condiciones iniciales y una distribución de materia, la solución a las ecuaciones de Einstein es única.

A la luz de esto las soluciones de espacio-tiempos vacíos tienen una peculiaridad, la cual se suele poner de manifiesto con el denominado "argumento del agujero" o "hole argument" de Einstein. Advierto que lo que sigue no es fácil de entender, pero puedo asegurar que vale la pena intentarlo ya que sirve para comprender mejor la esencia de la relatividad general y representa, además, una de las claves históricas de su formulación.

En su formulación moderna este argumento dice lo siguiente. Consideremos un espacio-tiempo lleno de materia excepto en una zona o "agujero". Para imaginarlo adecuadamente pensemos en 2+1 dimensiones (dos espaciales y una temporal) en vez de las usuales 3+1. Hay que notar que se trata de un agujero en el espacio-tiempo y no en el espacio. Un "agujero" en el espacio 2+1 sería una circunferencia y sería la sección de un "cilindro" en el espacio-tiempo 2+1. Este agujero se encuentra entre dos superficies materiales que determinan sus condiciones iniciales y finales. Imaginemos que en la sección siguente a la primera superficie material que determina sus condiciones iniciales aparecerá ya visible el agujero. El agujero evolucionará con el tiempo y, luego, con la segunda superficie material desaparecerá del espacio-tiempo. Se podría decir también que es una "burbuja" de espacio-tiempo vacío, la cual aparece y desaparece.

Con este espacio-tiempo tomemos una transformación o desplazamiento de todas las variables dinámicas en él. Esta transformación será tal que en las partes del espacio-tiempo donde existe materia todo quedará igual (la transformación es la identidad). Sin embargo, en el agujero habrá una pequeña modificación la cual afectará o desplazará sólo a la métrica del espacio-tiempo y no a la materia (al estar el agujero vacío). Este tipo de transformaciónes que pueden ser distinan sobre distintos puntos, pero han de ser suaves (diferenciables) y en un punto determinado ha de actuar de igual forma sobre todas las variables dinámicas se denominan difeomorfismos activos.



Tenemos ahora, por tanto, dos espacio-tiempos iguales salvo en el agujero. Las ecuaciones de movimiento de la relatividad general no determinan la métrica de forma única, salvo que se fijen unas condiciones iniciales determinadas. Pero para la parte donde ambos espacio-tiempos son distintos es eso precisamente lo que hemos hecho antes: hemos determinando una superficie que sirve como condición inicial a la dinámica del agujero. Por tanto éste ha de ser solución única a las ecuaciones de movimiento. Si ambos espacio-tiempos fueran dos soluciones distintas, la relatividad general sería una teoría no determinista, ya que la imposición de fuentes y condiciones de contorno no sería suficiente para determinar la física.

Todo esto se resume diciendo que la relatividad general se basa en el principio de covarianza, el cual afirma, en su versión "activa" y moderna, que un mismo cambio o desplazamiento en todas las variables dinámicas (un difeomorfismo activo) ha de resultar en la misma solución a las ecuaciones de movimiento. En general, ha de resultar en la misma física. Esto a veces se conoce como equivalencia de Leibniz.

La conclusión es que siendo los dos espacio-tiempos con el agujero iguales, el significado físico de los puntos del espacio-tiempo como entidades per se (substantivismo del espacio-tiempo) queda cuestionado. El espacio-tiempo sólo parece adquirir un sentido tal y como lo conocemos cuando existe materia que permite "calibrar" posiciones para calcular distancias. Las posiciones, sin más, no tienen sentido en la relatividad general.

La pregunta que se plantea entonces es si esto convierte a las soluciones de espacio-tiempos vacíos, en las cuales queda la libertad de imponer unas condiciones iniciales a placer, en algo sin sentido físico. El caso es que esas soluciones existen, pero la interpretación del espacio-tiempo en ellas, tal y como la conocemos, no tiene sentido.

La siguiente analogía con el electromagnetismo es válida también para entender el argumento del agujero. En el electromagetismo existe el potencial electromagnético, el cuál puede redefinirse o calibrarse como uno quiera, poniendo su "cero" en el infinito o en otro punto. Esto es algo arbitrario y físicamente irrelevante, ya que lo que importa son las diferencias entre potenciales entre dos puntos. Esto no quiere decir que el potencial electromagnético no exista, sino que hay un grado de libertad en la teoría, el cual no es físico, sino sólo de representación, que nos permite cambiarlo sin consecuencias físicas. Algo similar ocurre con el espacio-tiempo vacío en la relatividad general.

Otra forma de aproximarse a la conclusión del argumento del agujero es decir que los puntos del espacio-tiempo no existen con individualidad. Para analizar la conclusión de la falta de individualidad de los puntos del espacio-tiempo, John Stachel usa los términos ingleses quiddity y haecceity, que provienen del latín quidditas y haecceitas y que en español corresponden a quididad y ecceidad. Muchas veces se usan como sinónomos, refiriendo a ambos la esencia, pero estríctamente se distingue entre el primero como refiriendo a las cualidades genéricas o la substancia y el segundo refiriendo a cualidades individuales o la forma individualizadora. Esto queda claro por ejemplo en este diccionario de términos filosóficos o en este artículo de wikipedia.

Las partículas en la cuántica no tienen ecceidad, pero sí quididad. De ahí que sean indistinguibles y puedan ser intercambiadas sin dar lugar a diferencia alguna, cosa que se expresa matemáticamente con el formalismo que da lugar a la invarianza de las ecuaciones frente a la simetría de permutaciones en los elementos de un sistema de múltiples partículas. Esta simetría de permutación da lugar a situaciones como los condensados de Bose-Einstein, donde todos las partículas del sistema se comportan como una sola.

Algo similar podría ocurrir con los puntos del espacio-tiempo. No obstante la simetría aquí es distinta y no de permutación.

Pero, lo curioso es que el argumento del agujero sirve igual de bien y debería llegar a la misma conclusión si, en vez de modificar la métrica dentro del agujero de forma suave, se intercambian o permutan dos puntos dentro del agujero. Algo similar a la invarianza frente a permutaciones de un sistema de múltiples partículas cuánticas. Y este principio estadístico de permutabilidad es quizás algo que esté a un nivel mucho más profundo que la estructura del espacio y el tiempo con su causalidad. Del papel Understanding Permutation Symmetry:

Thus at the famous Solvay Conference of 1927, Langevin noted that quantum particles could apparently no longer be identified as individuals and that same year, both Born and Heisenberg insisted that quantum statistics implied that the “individuality of the corpuscle is lost” (Born 1926; see Miller 1987, 310). Some years later, in 1936, Pauli wrote to Heisenberg that he considered this loss of individuality to be “... something much more fundamental than the space-time concept”

[Entro]

Re: estructura espacio tiempo

Muy buena explicación del argumento del agujero la de tu blog.

[pod]

Re: estructura espacio tiempo

(Si esto es un problema o parece incómodo puedo copiar el texto aquí.)

Por favor.

[Harvey]

Re: estructura espacio tiempo

[FONT=Times New Roman]Alshain dice en su post de 31/03/08:[/FONT]
[FONT=Times New Roman]“Una descripción cuántica del espacio-tiempo, o en general de la gravitación, es necesaria para tener o acercarse a una teoría consistente del mundo microscópico…” [/FONT]
[FONT=Times New Roman]Por favor, ¿podrías aclararme que entiendes por una descripción cuántica de la gravedad y, en general, por una descripción cuántica de cualquier cosa?[/FONT]
[FONT=Times New Roman]Con frecuencia, al menos en mi caso, encuentro que uno de los mayores obstáculos para entender algo es la terminología, la “jerga” propia del tema.[/FONT]

[alshain]

Re: estructura espacio tiempo

Se trata de acomodar el principio de incertidumbre, y también, aunque en realidad dos caras de la misma moneda, el principio de superposición. Estos son parte fundamental de la mecánica cuántica. Por ejemplo, el principio de superposición nos dice que la posición de una partícula es una superposición de todas sus posiciones posibles, cada una con una cierta probabilidad. Este conjunto de posiciones posibles con sus probabilidades asociadas es lo que se conoce como función de onda, que sorprendentemente tiene características ondulatorias y da lugar a fenómenos de interferencia como en el caso del experimento de la doble ranura.

¿Qué significa esto para la gravitación? Básicamente lo mismo. Tan pronto tenemos una variable que nos describa el campo gravitatorio, como por ejemplo la métrica en la relatividad general, debemos poder considerar que una configuración determinada del campo es una superposición sobre todas sus configuraciones posibles, todas con cierta probabilidad asociada. Esto es necesario si no se quiere caer en inconsistencias entre la teoría cuántica que describe la materia y la teoría que describe la gravitación. Por ejemplo, al igual que una partícula clásica localizada en una posición determinada deforma el espacio-tiempo actuando de forma local sobre la métrica, una partícula cuántica en superposición de posiciones debería modificar el espacio-tiempo poniéndolo en una superposición de diferentes métricas posibles.

Un saludo.

[Harvey]

Re: estructura espacio tiempo

¿Es correcto decir que en el Universo solo hay Energía, Espacio y Tiempo?

[Entro]

Re: estructura espacio tiempo

Esencialmente es correcto.

[Harvey]

Re: estructura espacio tiempo

Planck demostró que la Energía se manifista en "cuantos", en el supuesto de que el Tiempo fuera también cuántico ¿podríamos decir que el Universo en su totalidad es cuántico?

[Entro]

Re: estructura espacio tiempo

Si, en el estado actual del conocimiento podemos decir que las leyes básicas de los fenómenos más fundamentales son todas cuánticas, siendo esto independiente de si el tiempo es cuántico o no.

El tiempo es algo delicado en física, y no tiene mucho sentido de hablar de un tiempo cuántico en el contexto actual.

En cuántica es facil confundir algo cuántico con algo que toma valores discretos. En cuántica muchas cosas, pero no todas, toman valores discretos, pero esto no es la característica fundamental de un comportamiento cuántico.

Saludos

[Harvey]

Re: estructura espacio tiempo

Si, en el estado actual del conocimiento podemos decir que las leyes básicas de los fenómenos más fundamentales son todas cuánticas, siendo esto independiente de si el tiempo es cuántico o no.

El tiempo es algo delicado en física, y no tiene mucho sentido de hablar de un tiempo cuántico en el contexto actual.

En cuántica es facil confundir algo cuántico con algo que toma valores discretos. En cuántica muchas cosas, pero no todas, toman valores discretos, pero esto no es la característica fundamental de un comportamiento cuántico.

Saludos

Para entenderlo mejor ¿podrías dar un ejemplo de algo que toma valores discretos, pero no es cuántico?