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Pregunta a eliax: ¿Cómo imaginar la geometría espacio-tiempo del universo?
eliax id: 11144 josé elías en may 1, 2014 a las 11:50 AM (11:50 horas)
Nuestro Universo...eliax - Para Mentes CuriosasUno de los conceptos más complejos de entender para la mente humana es el hecho comprobado de que el espacio y el tiempo no son entidades separadas/independientes, sino que están íntimamente entrelazadas y dependientes una de la otra, como descubrió Einstein hace alrededor de un siglo atrás.

Esta fusión del espacio y el tiempo tiene mucho que ver con la definición de Gravedad y sobre el límite de la velocidad de la luz, pero hoy no vamos a entrar directamente en esos temas (pues ya he escrito explícitamente sobre ellos en artículos como este, este o este otro), sino utilizarlos como escalones para explicar uno de los conceptos más extraños para nuestra percepción humana: ¿Como imaginarnos la geometría espacio-tiempo del universo? Y para eso recurriré a un ejemplo eliaxístico que utilizo para explicar el concepto a mis amigos...

Imaginen por un momento que estamos en el mismísimo inicio del universo, en sus primeros instantes, e imaginemos que el universo es un globo de cumpleaños del tamaño de una pelota de golf.

Ahora, empecemos a expandir ese globo de forma exponencial, a una velocidad mucho más rápida que la velocidad de la luz (como aparentemente ocurrió, y se define en la teoría de Inflación del Big Bang).

Pero una cosa que vamos a hacer para hacer el ejemplo más fácil de entender es asumir que el universo incrementa en pasos discretos. Es decir, no imaginemos que inflamos el globo paulatinamente, sino que el globo mágicamente crece un poquito más cada vez dando un salto entre su tamaño anterior y el próximo, mientras deja atrás una copia de el globo más pequeño dentro de este.

De esa forma podemos poner números a esos saltos... El primer salto que dio de tamaño lo podemos llamar el salto 1. El segundo salto el salto 2, después el 3, y así sucesivamente... Lo que esto significa entonces es que podemos imaginar el universo como una serie de cascarones, uno fuera de otro. Es como si hubiésemos empezado con el cascarón de un huevo, y después agregamos otro cascarón encima, y después otro, y otro y otro...

Pues si entendieron eso mis queridos amigos lectores, acaban de entender algo fundamental del universo, aunque todavía quizás no les sea evidente...

Debido a que los cascarones iniciales sucedieron primero en el tiempo, y los cascarones más recientes (los de "afuera") sucedieron más tarde, eso significa que una forma de interpretar todo esto es que existe una linea del tiempo en donde mientras más pequeño es el cascarón, más viejo es el universo, y mientras más reciente es el cascarón, más reciente es el universo. O en otras palabras, cada cascarón es un estado del tiempo del universo, y por tanto cada diferencia entre un cascarón y otro lo podemos considerar como el concepto de "el tiempo".

Nosotros entonces, vivimos siempre conscientes en el cascarón más externo del universo, y no podemos viajar hacia los cascarones más pequeños, pero podemos desplazarnos en la superficie de nuestro cascarón (es decir, alrededor del cascarón).

Pues ese movimiento alrededor del cascarón lo podemos considerar el concepto de "el espacio".

Así que hasta ahora tenemos definidos en mi ejemplo lo que es el tiempo, y lo que es el espacio, así que procedamos al próximo paso de este ejercicio mental...

Noten que el tiempo nunca se detiene de expandir, por lo que constantemente se están creando nuevos cascarones, por lo que cuando dije anteriormente que nos desplazamos por el cascarón, omití algo a propósito (por motivos didácticos) que ahora vamos a corregir y que conectará al espacio con el tiempo.

En realidad es imposible desplazarse puramente por el mismo cascarón en donde estás, ya que antes de que termines de desplazarte se estará creando otro cascarón, y tu te estarás moviendo en realidad en ese nuevo cascarón, y mientras más te sigas moviendo (o incluso, sin moverte) lo que estarás haciendo siempre es "viajar" de un cascarón a otro.

Por tanto, cuando tu piensas que lo que estás haciendo es simplemente desplazarte por encima de "un cascarón", lo que realmente estás haciendo es desplazándote tanto por la superficie de la esfera (el espacio) como entre una esfera y otra (el tiempo), por lo que realmente siempre estás moviéndote en ambos sentidos, en el espacio y el tiempo, o más correctamente, en el "espacio-tiempo"...

Similarmente, aunque no lo notemos, todos ahora mismo estamos "viajando" en el espacio-tiempo, pero la gran diferencia es que lo estamos haciendo a una escala (de tamaño y tiempo) y velocidades tan pequeñas, que no notamos la fusión de ambos.

Pero si empezáramos a viajar cerca de la velocidad de la luz, o alrededor de grandes campos gravitacionales, empezaríamos a notar cada vez más que el espacio-tiempo se distorsiona y que el tiempo y el espacio realmente dependen el uno del otro. Así que como parte adicional a este artículo, exploremos ese escenario...

En el caso de por ejemplo viajar cercano a un Agujero Negro (que tiene un campo gravitacional extremadamente intenso), notaríamos una aceleración del tiempo exterior a nosotros (o una dilatación local en relación al tiempo externo, que es lo mismo), y el mismo fenómeno lo notaríamos al viajar a extremas velocidades.

Así mismo, si alguien nos ve pasar frente a su casa mientras aceleramos en nuestra nave a velocidades cercanas a la luz, estos nos verían distorsionados en el espacio, como si fuésemos un acordeón que cambia de tamaño.

Y todo esto tiene extrañas consecuencias que retan a nuestro sentido común...

Por ejemplo, si tenemos dos automóviles viajando a 300km/h en dirección opuesta, uno mediría que la velocidad relativa de un automóvil en relación al otro sería de 600km/h. O en otras palabras, el que ambos automóviles se acerquen el uno al otro a 300Km/h es lo mismo que decir que uno de ellos está estacionario y que el otro se le acerca a 600Km/s (ojo a los puristas y conocedores de física: Estamos hablando de física clásica newtoniana en este ejemplo, obviamente, y ya haré las correcciones relevantes en los próximos párrafos).

Hasta ahí estamos claros, pero repitamos exactamente el mismo ejemplo con dos haces de luz que se acercan en dirección opuesta el uno al otro a la velocidad natural de la luz de 300 mil km/s. Si yo les preguntara ahora cuál es la velocidad relativa de un haz de luz en relación al otro, se sentirían totalmente tentados a decirme "600 mil km/s", pero la respuesta es (por más asombroso que suene) "300 mil km/s"...

¿Cómo puede ser eso posible? Pues para empezar, la luz tiene una velocidad fija siempre, para todos los observadores en todos los marcos de referencia, por lo que no podemos violar ese principio que descubrió Einstein (y que para el que verdaderamente lo entiende, se da cuenta que es una de las cosas más extraordinarias de toda nuestra existencia).

Pero entonces, ¿qué sucede aquí? Pues lo que sucede es que el espacio-tiempo se "achica/estira" para compensar con el tiempo y hacer que los cálculos nos den exactos.

¿Pero compensar cómo? Pues expandiendo y reduciendo el espacio alrededor de lo que sea que viaja cercano a la luz, de modo que por cada unidad de espacio (digamos, 1 metro) obtenemos una unidad diferente de tiempo (digamos, 1 nano-segundo).

Eso es un tanto difícil de entender (y de aceptar), pero así funciona el universo y esto lo hemos comprobado una y otra vez en incontables experimentos.

Pero entonces viene la pregunta ¿y por qué no notamos lo mismo con el ejemplo de los automóviles viajando a solo 300km/h? Pues la realidad es que lo notamos matemáticamente (pero no visualmente debido a la lentitud de nuestros cerebros y sentidos), en donde el resultado no es realmente "600km/" sino más bien "600km/h menos un poquititíto imperceptible", y ese "poquititito imperceptible" se va agrandando conforme se aumenta la velocidad (para mantener la ecuación balanceada), mientras se distorsiona el espacio relativo a cada automóvil.

Sin embargo, no se preocupen si aun no entienden esto de forma intuitiva. A mi me tomó un buen tiempo entender estos conceptos, pero después que los entiendan, les aseguro que no volverán a ver el universo con los mismos ojos, y entenderán por qué me gusta tanto esa escena de la película The Matrix cuando Neo por fin ve "el código" detrás de su universo...

autor: josé elías

Comentarios

  • Estos son mis temas favoritos. EXCELENTE!

  • Interesante pero me surge una duda, ¿Cual es el diferencial de tiempo que existe entre un cascarón y otro? ¿El tiempo de Planck?

    • Correcto.

      Y entre los enlaces al final del artículo (en la sección de "previamente en eliax") encontrarás un artículo hablando exclusivamente del Tiempo Planck.

      • Mmm... entonces me vuelve a surgir otra duda, ¿El tiempo que percibimos como continuo es en realidad discreto?

        Esto me trae recuerdos de cuando lleve una materia que se llama procesamiento digital de señales o DSP, donde para diseñar controles o procesar señales en sistemas digitales, se tiene que discretizar una señal para pasarla de tiempo continuo a discreto. Quizá por eso no batalle tanto en entender lo de los cascarones.

        • Así parece. Según los descubrimientos de la mecánica cuántica, toso es discreto y va en "cuantos", la energía, el espacio, el tiempo, todo.

          Y en mi opinión eso es un punto mas a favor de la posibilidad de que vivamos en una simulación. El tiempo de Planck sería la mayor revolución que puede manejar el simulador.

        • Sí, y como alude anv en el comentario arriba de este, lo "continuo" es solo una ilusión de nuestra mente.

          Hoy sabemos que al menos aparenta que toda la existencia es cuantizada tanto en tiempo como en espacio, y también como dice anv (y he expresado yo en artículos anteriores en eliax) eso podría ser indicación de que vivimos en una simulación, aunque también podría ser indicación de algo más sencillo aun: Que toda la existencia no es más que puras matemáticas...

  • Muy bueno. Cuando lei el libro "Una breve historia del tiempo", hice mis conclusiones de la siguiente manera: El tiempo comenzó con el bigbang, pues el espacio que conocemos dentro del globo es producto de la explosión. Si no hay espacio no hay tiempo, para ir de A a B (a traves del espacio) eso toma un tiempo... de ahi que el espacio y el tiempo estan entrelazados.

    Para mi la palabra espacio-tiempo se refiere a cualquier punto en el espacio cuyo tiempo es la distancia desde el origen del bigbang hasta donde esta el punto.

  • Jose !
    Impresionante post !
    Bien didactico tu explicacion !
    Mas Claro ni el agua
    Bien apasionante lo que expones

    Jose

  • Hasta aqui creo entenderlo bien... pero entonces me enredo :/

    "...se va agrandando conforme se aumenta la velocidad (para mantener la ecuación balanceada), mientras se distorsiona el espacio relativo a cada automóvil."

    • Es decir, si solo hablamos de 300km/h en ambas direcciones, la velocidad relativa entre ambos es de caaaaaaaaasi 600km/h, pero conforme la velocidad aumenta, ese "cassssssssi" se va volviendo cada vez mayor por lo que la velocidad neta relativa empieza a acercarse a la de ambas velocidades, hasta que incrementa tanto que al final el resultado a la velocidad de la luz es el mismo independientemente de cómo se mida.

  • leído algo sobre esos temas el espacio tiempo esta ligado uno del otro sin embargo ahondando mas el espacio entre el cascaron nuevo y el viejo siempre existe materia la que teóricamente podría existir la llamada antimateria pero que no se ha comprobado la antimateria no son mas que atomos negativos formados por antielectrones que son electrones que al regresar al pasado dan como una vuelta en U por tanto un antielectrón es el pasado
    pero si como has explicado eliax antes de que el nuevo cascaron se forme nosotros no hemos llegado y estamos en el viejo unos instantes significaría que en realidad cuando vizualimos un electron con nuestros aparatos no estamos viendo un electron si no un antielectrón y los verdaderos electrones están en la nuevo cascaron, eso seria a la inversa de lo que se ha descubierto es asi o estoy equivocado?

    • No tengo mucho conocimiento sobre lo que hablas de la materia y anti-materia, pero entedí tu punto.
      Desde nuestra percepción humana siempre estamos en el "cascarón" más externo (aunque matemáticamente pueda demostrarse lo contrario), por lo cual, siguiendo tus teorías, lo único que vemos (nuevamente, a través de nuestros sentidos) es la materia y no la anti-materia.
      Y si hablamos de visualizar con un aparato, en ese momento de la captura un electrón era precisamente un electrón, aunque un momento después pudiéra haberse convertido en un anti-electrón.
      Corríjanme si me equivoco.
      Saludos.

  • Dos preguntas a Eliax o quien guste responder. De acuerdo a lo anterior, 1) ¿si la expansión del universo se detiene, se detiene el tiempo y quedaría estático todo? 2) ¿Me pueden recomendar libros de divulgación científica con este nivel de eliax de explicar Física? ¡Muchas gracias!

    • Ojo, cuando hablo de expandir la burbuja *no* estoy hablando de expandir el espacio, sino el tiempo en la fábrica del espacio tiempo. Es mejor que pienses de cada burbuja como un paso en el tiempo, y que existe otra propiedad que sería el tamaño que aunque relacionada, sería distinta.

      Aunque entiendo por qué lo preguntas, ya que asociamos el tamaño de algo con el espacio de algo.

      En cuanto a libros, puedes iniciar con "Una breve historia del tiempo" de Stephen Hawking, y después de ahí ya encontrarás otros autores (como Brian Green) que tienen libros fabulosos.

      • ¡Gracias José Elías! ;)

  • Genial post, aunque una pequeña corrección. Donde dices "as de luz", creo que te refieres a un "haz de luz". ;)

  • Me llama la atención, querido José Elías, el que menciones que estamos en el cascarón más externo. ¿Será eso verdad? ¿No habrán otros cascarones más externos al nuestro, es decir, que nuestro espacio-tiempo es el pasado de civilizaciones que surgieron antes que nosotros y miren nuestro pasado o nuestro presente a través de un telescopio? La luz de nuestro que nuestro sol emitió hace 4500 años cuando nuestro planeta se formaba, está llegando ahora a planetas más distantes. Así como nosotros vemos desde el futuro explosiones estelares que ocurrieron hace millones de años, tal vez lo que hacemos hoy está siendo visto por civilizaciones en nuestro futuro, en cascarones más externos aún. ¿Qué dice?

  • Perdon, quise decir 4500 millones de años.

  • Esto del tiempo discreto y no continuo es masomenos como cuando vemos una pelicula, que parece que es un video continuo pero en realidad son 30 fotogramas por segundo, pero nuestro cerebro hace que parezca algo continuo

  • Todavía no entiendo el espacio-tiempo lol, vi un documental de Eduard Punset donde un científico afirmaba que el tiempo no existe que es una ilusión que tenemos, y otros científicos también secundan esa teoría, de ser así que el tiempo no exista que repercusiones tiene esto en el espacio-tiempo? y que piensas sobre eso eliax?

    • Hola Joel,

      El concepto de tiempo tratado aqui no es el tiempo que conocemos pues ese es una mera ilusion (un concepto abstracto para dar orden aqui en la tierra)... el tiempo aqui no es mas que el proceso de expansión luego del bigbang o lo mismo que dijo Eliax, los diferentes cascarones que representan un tamaño x en la linea de tiempo. Como bien decia Eliax, el concepto de tiempo es la diferencia entre los cascarones.

      El espacio-tiempo no es mas que un espacio matematico cuyos puntos deben ser especificados por las coordenadas espacial (x, y, z) y temporal (la distancia del cascaron al origen del bigbang o mejor dicho, el radio de cualquier cascaron).

      Al final, espacio-tiempo se refiere a todo el universo incluyendo su estado final (el ultimo cascaron).

      P.D: La linea de tiempo es el camino recorrido por la explosion.

      • Bien, yo estaba entonce ligando el tiempo que conocemos con el espacio-"(tiempo)".

        Ahora bien me surgen ciertas dudas, porque dices que el tiempo es una ilusión con lo cual estarías de acuerdo con los que plantean algunos científicos,(ahora estoy refiriendo me simplemente al tiempo como lo conocemos...) y dices: "el tiempo aquí no es mas que el proceso de expansión luego del bigbang".

        Si eso es así entonces si existe el tiempo, porque yo podría decir que el bigbang ocurrió hace 13 mil millones de años, lo cual significaría que si situamos un observador fuera de nuestro universo, el visualizaría el universo actual vería un universo dinámico.

        Mientras que si el tiempo fuera una ilusión en concreto, nuestro observador vería un universo estático, es decir vería tanto el bigbang, como a nosotros en forma simultanea, es decir para este observador todos los eventos ocurrirían al mismo tiempo.

        • Muy bien Joel. Pero me refiero al tiempo como lo vemos nosotros no a la cuarta dimencion en el espacio-tiempo.

  • Hay otro asunto. Si existieran más universos, ¿el tiempo estaría limitado a cada universo, o se podría hablar de tiempo en términos de cuando surgió la primera burbuja-universo?

    También, ¿es el tiempo es una magnitud escalar, una magnitud de vectorial de un sola dirección y sentido, o una magnitud vectorial completa, pero la cual solo puede ser entendida en una dirección y sentido por nuestros cerebros?

  • 0.1c ya se nota que la longitud de un cuerpo cambia y el tiempo que tarda en atravesar un campo tambien cambia. De ahi viene todo este tema confuso de la relatividad. Otro topico interesante de la relatividad o mecanica cuantica es que las "cosas" son particulas pero tambien ondas, entonces probabilisticamente podrian estar en dos lugares al mismo tiempo. Por eso la teletransportacion de electrones ya existe. Yo me pregunto cuando llegaremos a teletransportar objetos masicos del orden de gramos y no solo MegaElectronVolts.
    Hermosos temas :-)

  • Wow!!!!!! realmente te las ingenias Jose Elias para explicarlo de un modo que hasta un nino pudiera entenderlo. Mira si sabia sobre el espacio-tiempo que estan entrelazados etc pero tu ejemplo de los cascarones me hizo ver definitivamente "el código" detrás de la "User interface".

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por "Patricio" en jul 23, 2010


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