Espacio y tiempo absolutos

El espacio y el tiempo absolutos son un concepto en física y filosofía sobre las propiedades del universo. En física, el espacio y el tiempo absolutos pueden ser un marco de referencia preferido .

Una versión del concepto de espacio absoluto (en el sentido de un marco de referencia preferido ) puede verse en la física aristotélica . ^{[ 1 ]} Robert S. Westman escribe que se puede observar un «atisbo» de espacio absoluto en el De revolutionibus orbium coelestium de Copérnico , donde Copérnico utiliza el concepto de una esfera inmóvil de estrellas. ^{[ 2 ]}

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 . ^{[ 3 ]} Según Newton, el tiempo y el espacio absolutos son respectivamente aspectos independientes de la realidad objetiva: ^{[ 4 ]}

El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin tener en cuenta nada externo, y con otro nombre se denomina duración; el tiempo relativo, aparente y común, es una medida sensible y externa (ya sea precisa o no) de duración mediante el movimiento, que se utiliza comúnmente en lugar del tiempo verdadero...

Según Newton, el tiempo absoluto existe independientemente de cualquier perceptor y transcurre a un ritmo constante en todo el universo. A diferencia del tiempo relativo, Newton creía que el tiempo absoluto era imperceptible y solo podía comprenderse matemáticamente. Según Newton, los humanos solo somos capaces de percibir el tiempo relativo, que es una medida del movimiento de objetos perceptibles (como la Luna o el Sol). A partir de estos movimientos, inferimos el transcurso del tiempo.

El espacio absoluto, por su propia naturaleza, sin tener en cuenta nada externo, permanece siempre similar e inamovible. El espacio relativo es una dimensión o medida móvil de los espacios absolutos, que nuestros sentidos determinan por su posición respecto a los cuerpos y que comúnmente se confunde con el espacio inamovible. El movimiento absoluto es el desplazamiento de un cuerpo de un lugar absoluto a otro, y el movimiento relativo, el desplazamiento de un lugar relativo a otro.

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 con respecto al espacio absoluto, de modo que un objeto debe estar en un estado de reposo absoluto o moviéndose a alguna velocidad absoluta . ^{[ 5 ]} Para respaldar sus puntos de vista, Newton proporcionó algunos ejemplos empíricos: según Newton, se puede inferir que una esfera solitaria giratoria rota alrededor de su eje con respecto al espacio absoluto al observar el abultamiento de su ecuador, y se puede inferir que un par de esferas solitarias atadas por una cuerda están en rotación absoluta alrededor de su centro de gravedad ( baricentro ) al observar la tensión en la cuerda.

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 la ubicación relativa de los cuerpos, y el tiempo no tenía sentido excepto como el movimiento relativo de los cuerpos. ^{[ 6 ]} George Berkeley sugirió que, al carecer de cualquier punto de referencia, una esfera en un universo vacío no podía concebirse como rotando, y un par de esferas podían concebirse como rotando una con respecto a la otra, pero no como rotando alrededor de su centro de gravedad, ^{[ 7 ]} un ejemplo que más tarde planteó Albert Einstein en su desarrollo de la relatividad general.

Una forma más reciente de estas objeciones fue formulada por Ernst Mach . El principio de Mach propone que la mecánica se centra exclusivamente en el movimiento relativo de los cuerpos y, en particular, la masa es una expresión de dicho movimiento relativo. Así, por ejemplo, una sola partícula 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 mayor parte del universo. ^{[ 8 ]}

Cuando, por consiguiente, decimos que un cuerpo conserva inalterada su dirección y velocidad en el espacio , nuestra afirmación no es ni más ni menos que una referencia abreviada a todo el universo . — Ernst Mach ^{[ 9 ]}

Estas posturas que se oponen al espacio y al tiempo absolutos pueden considerarse, desde una perspectiva moderna, como un intento de introducir definiciones operacionales para el espacio y el tiempo, una perspectiva que se explicita 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, la noción de marco de referencia inercial ha cobrado protagonismo, es decir, un conjunto preferido de marcos de referencia que se mueven uniformemente entre sí. Las leyes de la física se transforman de un marco inercial a otro según la relatividad galileana , lo que lleva a las siguientes objeciones al espacio absoluto, como lo expone Milutin Blagojević: ^{[ 10 ]}

• La existencia de un espacio absoluto contradice la lógica interna de la mecánica clásica, ya que, según el principio de relatividad de Galileo, ninguno de los sistemas de referencia inerciales puede ser aislado.
• El espacio absoluto no explica las fuerzas de inercia, ya que estas están relacionadas con la aceleración con respecto a cualquiera de los sistemas de referencia inerciales.
• El espacio absoluto actúa sobre los objetos físicos induciendo su resistencia a la aceleración, pero no puede ser objeto de acción.

El propio Newton reconoció el papel de los marcos inerciales. ^{[ 11 ]}

Los movimientos de los cuerpos incluidos en un espacio determinado son los mismos entre sí, tanto si ese espacio está en reposo como si se mueve uniformemente hacia adelante en línea recta.

En la práctica, los sistemas de referencia inerciales suelen considerarse sistemas que se mueven uniformemente con respecto a las estrellas fijas . ^{[ 12 ]} Véase Sistema de referencia inercial para más información al respecto.

El espacio , tal como se entiende en ^la mecánica newtoniana , es tridimensional y euclidiano , con una orientación fija . Se denota por ^E₃ . Si un punto O en E₃ se fija y se define como origen , la posición de cualquier punto P en E₃ está determinada unívocamente por su vector de posición ^.${\displaystyle \mathbf {r} ={\vec {OP}}}$(el origen de este vector coincide con el punto O y su extremo coincide con el punto P ). El espacio vectorial lineal tridimensional R ³ es un conjunto de todos los vectores de radio. El espacio R ³ está dotado de un producto escalar ⟨ , ⟩.

El tiempo es una magnitud escalar que es la misma en todo el espacio E ³ y se denota como t . El conjunto ordenado { t } se denomina eje temporal.

El movimiento (también trayectoria o camino ) es una función r : Δ → R ³ que asigna un punto en el intervalo Δ desde el eje del tiempo a una posición (vector de radio) en R ³ . 

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 conceptos bien conocidos por todos. ^{[ 13 ]}

Antes del surgimiento de la teoría de la relatividad especial , los conceptos de espacio y tiempo estaban separados en la teoría física. Esta teoría los conectó y demostró que ambos dependían del movimiento del sistema de referencia. En las teorías de Einstein, las ideas de tiempo y espacio absolutos fueron reemplazadas por la noción de espaciotiempo en la relatividad especial y por la de espaciotiempo curvo en la relatividad general .

La simultaneidad absoluta se refiere a la concurrencia de eventos en el tiempo en diferentes ubicaciones del espacio de una manera consensuada en todos los sistemas 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 sistema de referencia puede estar en el pasado o futuro de ese evento en un sistema de referencia diferente, ^{[ 6 ] : 59} lo que niega la simultaneidad absoluta.

Citando a continuación algunos de sus trabajos posteriores, Einstein identificó el término éter con las "propiedades del espacio", una terminología que no se usa con frecuencia. Einstein afirmó que, en la relatividad general, el "éter" ya no es absoluto, puesto que la geodésica y, por lo tanto, la estructura del espacio-tiempo dependen de la presencia de materia. ^{[ 14 ]}

Negar la existencia del éter equivale, en última instancia, a suponer que el espacio vacío carece por completo de cualidades físicas. Los principios fundamentales de la mecánica no concuerdan con esta visión. El comportamiento mecánico de un sistema corpóreo que flota libremente en el espacio vacío depende no solo de las posiciones (distancias) y velocidades relativas, sino también de su estado de rotación, que físicamente puede considerarse una característica ajena al sistema en sí. Para poder considerar la rotación del sistema, al menos formalmente, como algo real, Newton objetiva el espacio. Dado que clasifica su espacio absoluto junto con las cosas reales, para él la rotación relativa a un espacio absoluto también es algo real. Newton bien podría haber llamado a su espacio absoluto «Éter»; lo esencial es simplemente que, además de los objetos observables, debe considerarse real otra cosa, imperceptible, para que la aceleración o la rotación puedan considerarse reales.

Dado que ya no era posible hablar, en sentido absoluto, de estados simultáneos en diferentes ubicaciones del éter, este se volvió, por así decirlo, tetradimensional, puesto que no existía una forma objetiva de ordenar sus estados únicamente mediante el tiempo. Según la relatividad especial, el éter también era absoluto, puesto que se consideraba que su influencia sobre la inercia y la propagación de la luz era independiente de la influencia física. La teoría de la relatividad resolvió este problema estableciendo el comportamiento de la masa puntual eléctricamente neutra mediante la ley de la línea geodésica, según la cual los efectos inerciales y gravitatorios ya no se consideran separados. Al hacerlo, le atribuyó al éter características que varían de un punto a otro, determinando la métrica y el comportamiento dinámico de los puntos materiales, y que a su vez están determinados por factores físicos, concretamente la distribución de masa/energía. Así pues, el éter de la relatividad general difiere de los de la mecánica clásica y la relatividad especial en que no es «absoluto», sino que sus características variables localmente están determinadas por la materia ponderable.

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) ^{[ 17 ]} y la relatividad general reduce aún más el alcance físico del espacio y el tiempo absolutos a través del concepto de geodésicas . ^{[ 6 ] : 207–223} Parece haber un 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 espaciotiempo. ^{[ 18 ]}

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