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por�Nola Taylor Redd
31 Diciembre 2015
del Sitio Web�Space
traducci�n de
Adela Kaufmann
Versi�n
original en ingles
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Un objeto masivo como la Tierra doblar� el espacio-tiempo,
y har� que los objetos caigan hacia ella.�
Cr�dito: Ciencia @ NASA
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Al dar las coordenadas de un lugar, la mayor�a de las personas
proporcionan la latitud, longitud y altitud quiz�.�Pero
hay una cuarta dimensi�n a menudo descuidada: el tiempo.
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La combinaci�n de las coordenadas f�sicas con el elemento temporal
crea un concepto conocido como el espacio-tiempo, un fondo para
todos los eventos en el universo.
"En la f�sica, el espacio-tiempo es el modelo matem�tico que�combina
el espacio y el tiempo�en
un solo continuo entretejido en todo el universo," Eric Davis,
un f�sico que trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados de�Austin�y
con la Fundaci�n Tau Cero, le dijo a Space.com por correo
electr�nico.
Eric Davis�se
especializa en la f�sica del espacio-tiempo m�s r�pida que la luz y
la f�sica anti-gravedad, ya que ambos utilizan ecuaciones de la
relatividad general de Albert Einstein y la teor�a de los campos
cu�nticos, as� como la �ptica cu�ntica, para llevar a cabo
experimentos de laboratorio.
"La teor�a especial de la relatividad de Einstein, publicada en
1905, adapt� el modelo del universo del espacio-tiempo
unificados de Hermann Minkowski para mostrar que el tiempo debe
ser tratado como una dimensi�n f�sica a la par de las tres
dimensiones f�sicas del espacio - Altura , anchura y longitud -
que experimentamos en nuestras vidas ", dijo Davis.
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"El espacio-tiempo es el paisaje sobre el que los fen�menos
tienen lugar", agreg� Luca Amendola, un miembro del Grupo de
Trabajo de la Teor�a Euclid (un equipo de cient�ficos te�ricos
que trabajan con sat�lite Euclid de la Agencia Espacial Europea)
y profesor de la Universidad de Heidelberg en Alemania.
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"Al igual que cualquier paisaje no est� escrito en piedra,
fijado para siempre, cambia s�lo porque las cosas suceden - los
planetas se mueven, las part�culas interact�an, las c�lulas se
reproducen", dijo a Space.com por correo electr�nico.
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1.
12 Cosas que hay que saber acerca de la RELATIVIDAD.
Las teor�as de Einstein sobre la relatividad
revolucionaron la forma en que el mundo piensa
acerca del espacio, masa, energ�a y gravedad
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Antes de Einstein, las leyes de Isaac Newton eran
utilizadas para entender la f�sica del movimiento.
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En 1687, Newton escribi� que la gravedad afecta todo
en el universo. La misma fuerza de gravedad que
halaba una manzana hacia abajo del �rbol manten�a a
la Tierra en movimiento alrededor del sol.
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Pero Newton nunca resolvi� el enigma de la fuente de
gravedad.
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2.
El �Tratado de la Naturaleza Humana� del fil�sofo
David Hume tuvo much�sima influencia en el
pensamiento de Einstein acerca del espacio y el
tiempo.
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Hume era un emp�rico y un esc�ptico, cre�a que los
conceptos cient�ficos deb�an estar basados en
experiencia y evidencia, no s�lo en la raz�n.
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�l tambi�n sostuvo el tiempo no exist�a
separadamente del movimiento de los objetos.
�Es muy posible que sin �stos estudios
filos�ficos yo no hubiera llegado a la
soluci�n,� escribi� Einstein
�3.
En 1905, Albert Einstein bas� una nueva teor�a en
dos principios. Primero, las leyes de la f�sica
parecen igual a todos los observadores.
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Segundo, �l calcul� que la velocidad de la luz .
186,000 millas por segundo (299,338 kil�metros por
segundo . no cambia.
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Antes de Einstein, los cient�ficos cre�an que el
espacio estaba lleno con �ter luminoso que causaba
que la luz de la luz cambiara dependiendo del
movimiento relativo de la fuente y el observador.
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4.
Como resultado de estos principios, Einstein dedujo
que no hay marco fijo de referencia en el universo.
Todo est� en relativo movimiento a todo lo dem�s, De
all� la teor�a de la relatividad de Einstein.
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Es conocida como relatividad especial porque aplica
s�lo a casos especiales: marcos de referencia en el
constante inmutable movimiento.
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En 1915, Einstein public� la teor�a general de la
relatividad, que aplica a marcos que se aceleran
respecto a unos a otros.
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5.
El tiempo no pasa en la misma proporci�n para
todos. Un observador de r�pido movimiento mide el
tiempo pasando m�s lentamente de lo que pasar�a para
un observador estacionario (relativamente).
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Este fen�meno es llamado dilataci�n del tiempo. En
esta visualizaci�n, el reloj en movimiento funciona
m�s lentamente que el reloj estacionario.
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6.
Un objeto en movimiento r�pido parece m�s corto en
relaci�n a uno movi�ndose lentamente. Este efecto
es muy sutil hasta que el objeto viaja a una
velocidad cercana a la de la luz.
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7.
Masa y energ�a son distintas manifestaciones de la
misma famosa ecuaci�n de Einstein, E = mc2
significa que una cantidad de energ�a es equivalente
a una cantidad de tiempo de masa de la velocidad luz
al cuadrado.
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Esto es lo que permite la liberaci�n de una enorme
cantidad de energ�a en una explosi�n nuclear.
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8.
Como un resultado de E = mc2, un objeto
de r�pido movimiento parece tener mayor masa en
relaci�n con una lento-mudanza.
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Esto es debido a que aumenta la velocidad de un
objeto aumenta su energ�a cin�tica y, por lo tanto,
es la masivo (desde masa = energ�a).
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9.
El aumento de la masa es la raz�n por la cual
Einstein dice que la materia no puede viajar m�s
r�pido que la luz. La masa aumenta con la velocidad
hasta que la masa se hace infinita cuando alcanza la
velocidad de la luz.
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Una masa infinita requerir�a energ�a infinita para
moverse, as� que esto es imposible.
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10.
El espacio y el tiempo son parte de un continuo
llamado espacio-tiempo. En las matem�ticas de
Einstein, el espacio tiene tres dimensiones y la
cuarta dimensi�n es el tiempo. Teor�as m�s recientes
suponen dimensiones adicionales que nosotros no
percibimos.
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El Espacio-tiempo puede ser considerado como una
rejilla o tela. La presencia de masa deforma el
espacio-tiempo. La presencia de masa distorsiona el
espacio-tiempo, por lo que el modelo de hoja de
caucho es una visualizaci�n popular.
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11.
La relatividad explica de d�nde viene la gravedad. El modelo de la hoja de goma muestra que la
gravedad resulta de objetos masivos doblando el
espacio-tiempo.
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El doblado es llamado pozo-de-gravedad.
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Los objetos orbitantes siguen el camino que es m�s
corto y que requiere la menor cantidad de energ�a.
Los planetas se mueven en el�ptica, la ruta m�s
eficiente de energ�a en el pozo de gravedad del sol.
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12.
La Gravedad dobla la luz. Este fen�meno es llamado
lente gravitacional.
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Cuando observamos una galaxia distante, la gravedad
de la materia entre la tierra y la galaxia hace que
los rayos de luz se doblen en caminos diferentes.
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Cuando la luz alcanza el telescopio, aparecen
m�ltiples im�genes de la misma galaxia.
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La historia del espacio-tiempo
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La idea de que el tiempo y el espacio est�n unidos es un desarrollo
relativamente reciente en la historia de la ciencia.
"Los conceptos de espacio se mantuvieron pr�cticamente lo mismo
desde los primeros fil�sofos griegos hasta el comienzo del siglo
20 - una etapa inmutable sobre el cual la materia se mueve",
dijo Amendola.
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"El tiempo se supon�a que era a�n m�s inmutable, ya que,
mientras uno se pod�a mover en el espacio a su gusto, usted no
puede viajar en el tiempo libremente, ya que corre igual para
todo el mundo."
A principios de 1900,�Hermann
Minkowski�construy�
sobre las obras tempranas del f�sico holand�s�Hendrik
Lorentz�y dell
matem�tico y f�sico te�rico franc�s�Henri
Poincar��para crear
un�modelo
unificado del�espacio-tiempo.
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Einstein, un estudiante de Minkowski, adapt� el modelo de Minkowski
cuando public� su teor�a de la relatividad en 1905.
"Einstein hab�a reunido los trabajos te�ricos independientes de
Poincar�, los trabajos te�ricos independientes de Lorentz y de
Minkowski a su teor�a general de la relatividad especial, que
era mucho m�s amplio y profundo en su tratamiento de las fuerzas
electromagn�ticas y movimiento, salvo que dejase fuera la fuerza
de la gravedad, que Einstein m�s tarde abord� en su obra magna
de la teor�a general de la relatividad", dijo Davis.
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Avances del espacio-tiempo
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En la relatividad especial, la geometr�a del espacio-tiempo es fija,
pero los observadores miden diferentes distancias o intervalos de
tiempo de acuerdo a su propia velocidad relativa.
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En la relatividad general, la geometr�a del espacio-tiempo cambia
dependiendo de c�mo la materia se mueve y es distribuida.
"La teor�a general de la relatividad de Einstein es el primer
avance te�rico importante que result� del modelo de
espacio-tiempo unificado", dijo Davis.
La relatividad general llev� a la ciencia de la cosmolog�a, el
siguiente gran avance que lleg� gracias al concepto de
espacio-tiempo unificado.
"Es debido al modelo unificado del espacio-tiempo que podemos
tener una teor�a para la�creaci�n
y existencia de nuestro�universo,�y
seremos capaces de estudiar todas las consecuencias que se
derivan del mismo", dijo Davis.
Explic� que la relatividad general predice fen�menos como�los
agujeros negros�y
agujeros blancos.
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Tambi�n predice que tienen un horizonte de sucesos, la frontera que
marca en la que nada puede escapar, y el punto de singularidades en
su centro, un punto unidimensional donde la gravedad se hace
infinita.
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La relatividad general tambi�n podr�a explicar la rotaci�n de los
cuerpos astron�micos que arrastran el espacio-tiempo con ellos, el
Big Bang y la expansi�n inflacionaria del universo,�las
ondas de�gravedad,�el
tiempo y la dilataci�n del espacio asociado con espacio-tiempo
curvo, la�lente
gravitacional�causada
por galaxias masivas, y la �rbita cambiante de Mercurio y otros
cuerpos planetarios, todo lo que la ciencia ha demostrado cierto.
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Tambi�n predice cosas como propulsiones de impulso-de-envoltura y�agujeros
de gusano desplazables y m�quinas del�tiempo.
"Todos estos fen�menos se basan en el modelo de espacio-tiempo
unificado", dijo, "y la mayor�a de ellos han sido observados."
Una�mejora
de�la
comprensi�n del espacio-tiempo tambi�n condujo a la teor�a de los
campos cu�nticos.
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Cuando�la
mec�nica�cu�ntica,�la
rama de la teor�a de trata con el movimiento de los �tomos y los
fotones, fue publicada por primera vez en 1925, estaba basada en la
idea de que el espacio y el tiempo eran separados e independientes.
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Despu�s de la Segunda Guerra Mundial, los f�sicos te�ricos han
encontrado una manera de incorporar matem�ticamente la teor�a
especial de la relatividad de Einstein en la mec�nica cu�ntica,
dando a luz a la teor�a de los campos cu�nticos.
"Los avances que resultaron de la teor�a cu�ntica de campos son
tremendas", dijo Davis.
La teor�a dio lugar a una teor�a cu�ntica de la radiaci�n
electromagn�tica y las part�culas elementales cargadas
el�ctricamente - llamada teor�a de la electrodin�mica cu�ntica
(teor�a QED) - alrededor de 1950.
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En la d�cada de 1970, la teor�a QED se unific� con la d�bil teor�a
de la fuerza nuclear para producir la teor�a electro-d�bil, que las
describe tanto como diferentes aspectos de la misma fuerza.�En
1973, los cient�ficos obtuvieron la teor�a cu�ntica cromodin�mica�(teor�a
de la QCD), la teor�a de la fuerte fuerza nuclear de los quarks y
los gluones, que son part�culas elementales.
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En los a�os 1980 y la d�cada de 1990, los f�sicos unen la teor�a QED,
la teor�a de la cromodin�mica cu�ntica y la teor�a electrod�bil para
formular el�modelo
est�ndar de la f�sica de�part�culas,�la
mega teor�a que describe todas las part�culas elementales conocidas
de la naturaleza y las fuerzas fundamentales de sus interacciones.
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M�s tarde, la predicci�n de�Peter
Higgs en1960 de una
part�cula ahora conocida como�el
bos�n de�Higgs,�que
fue descubierta en 2012 por�el
Gran Colisionador de Hadrones del CERN�fue
a�adido a la mezcla.
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Los avances experimentales incluyen el descubrimiento de muchas de
las part�culas elementales y sus fuerzas de interacci�n conocidas
hoy en d�a, dijo Davis.�Tambi�n
incluyen la promoci�n de la teor�a de la materia condensada para
predecir dos nuevos estados de la materia m�s all� de las que se
ense�an en la mayor�a de los libros de texto.
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M�s estados de la materia est�n siendo descubiertos mediante�la
teor�a de la materia�condensada,�que
utiliza la teor�a cu�ntica de campos como su maquinaria matem�tica.
"Materia condensada tiene que ver con los estados ex�ticos de la
materia, tales como los que se encuentran en el vidrio met�lico,
cristales fot�nicos, metamateriales, nanomateriales,
semiconductores, cristales, cristales l�quidos, aisladores,
conductores, superconductores, fluidos superconductores, etc.",
dijo Davis .
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"Todo esto se basa en el modelo de espacio-tiempo unificado."
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El futuro del espacio-tiempo
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Los cient�ficos contin�an mejorando su comprensi�n del
espacio-tiempo mediante el uso de las misiones y los experimentos
que observan muchos de los fen�menos con los que interact�an.
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El�Telescopio
Espacial�Hubble,�el
cual mide la expansi�n acelerada del universo, es uno de los
instrumentos para hacerlo.�La
misi�n de la Gravity Probe�B
de la NASA�que se lanz�
en 2004, estudi� la torsi�n del espacio-tiempo por un cuerpo en
rotaci�n - la Tierra.
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La misi�n�NuSTAR
de la NASA�lanzada en 2012, estudia los agujeros
negros.
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Muchos otros telescopios y misiones tambi�n han ayudado a estudiar
estos fen�menos.
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En la planta, los aceleradores de part�culas han estudiado
part�culas en r�pido movimiento durante d�cadas.
"Una de las mejores confirmaciones de la relatividad especial
son las observaciones que las part�culas, que deber�an decaer
despu�s de un tiempo dado, toman, de hecho, mucho m�s tiempo
cuando viajan muy
r�pido, como, por ejemplo, en los aceleradores de part�culas",
dijo Amendola.
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"Esto se debe a que los intervalos de tiempo son m�s largos
cuando la velocidad relativa es muy grande."
Futuras misiones y experimentos continuar�n sondeando el
espacio-tiempo tambi�n.
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La�Agencia Espacial
Europea y la NASA�v�a
sat�lite�Euclid,�a
lanzarse en 2020, seguir�n probando las ideas a escalas
astron�micas, mientras mapean la geometr�a de la energ�a oscura y la
materia oscura, las misteriosas sustancias que componen la mayor
parte del universo.
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En la planta, los obseratorios�LIGO�y�VIRGO
contin�an estudiando las ondas gravitacionales, ondulaciones en la
curvatura del espacio-tiempo.
"Si pudi�ramos manejar los agujeros negros de la misma manera en
que manejamos las part�culas en los aceleradores, aprender�amos
mucho m�s sobre el espacio-tiempo", dijo Amendola.
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La fusi�n de agujeros negros crea ondulaciones en el espacio-tiempo
en el concepto de este artista.
Los experimentos est�n en busca de estas ondas,
conocidas como ondas gravitacionales,
pero ninguna ha sido detectada.
Cr�dito: Swinburne Astronomy Producciones
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Entendiendo el espacio-tiempo
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�Conseguir�n los cient�ficos alguna vez un entendimiento en la
compleja cuesti�n del espacio-tiempo?
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Eso depende de exactamente lo que usted quiera decir.
"Los f�sicos tienen una excelente comprensi�n del concepto de
espacio-tiempo en los niveles cl�sicos proporcionadas por dos
teor�as de la relatividad de Einstein, con su teor�a de la
relatividad general siendo la obra magna de la teor�a del
espacio-tiempo", dijo Davis.
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"Sin embargo, los f�sicos no tienen todav�a una idea sobre la
naturaleza cu�ntica del espacio-tiempo y la gravedad."
Luca Amendola�estuvo
de acuerdo, se�alando que si bien los cient�ficos entienden el
espacio-tiempo a trav�s de distancias m�s grandes, el mundo
microsc�pico de las part�culas elementales queda menos claro.
"Podr�a ser que el espacio-tiempo a distancias muy cortas toma
otra forma y tal vez no es�continuo",
dijo Amendola.�"Sin
embargo, todav�a estamos muy lejos de esa frontera"
Los f�sicos de hoy no pueden experimentar con los agujeros negros o
alcanzar las altas energ�as en la que se espera que los nuevos
fen�menos se produzcan.
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Incluso las observaciones astron�micas de los agujeros negros siguen
siendo insatisfactorias debido a la dificultad de estudiar algo que
absorbe toda la luz, dijo Amendola.�Los
cient�ficos deben utilizar en su lugar sondas indirectas.
"Entender la naturaleza cu�ntica del espacio-tiempo es el santo
grial de la f�sica del siglo 21", dijo Davis.�"Estamos
atrapados en un atolladero de m�ltiples teor�as nuevas
propuestas que no parece funcionar para resolver este problema."
Amendola se mantuvo optimista.
"Nada nos est� frenando", dijo.�"Es
s�lo que se necesita tiempo para entender el espacio-tiempo."
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