La teoría de las cuerdas unifica el espacio y el tiempo

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

La teoría de la relatividad restringida de Einstein ha tenido implicaciones de largo alcance, pero ha dejado abiertas ciertas preguntas que la teoría de cuerdas espera responder. Ha alterado nuestra comprensión del tiempo y el espacio. Proporciona un marco teórico que nos dice cómo funciona la gravedad,

La teoría de la relatividad restringida de Einstein creó un vínculo fundamental entre el espacio y el tiempo. Se puede ver que el universo tiene tres dimensiones espaciales -arriba/abajo, izquierda/derecha, adelante/atrás- y una dimensión temporal. Este espacio de 4 dimensiones se conoce como el continuo espacio-tiempo.

Si te mueves lo suficientemente rápido por el espacio, las observaciones que haces sobre el espacio y el tiempo difieren un poco de las observaciones que otras personas, que se mueven a diferentes velocidades, hacen.

La teoría de cuerdas introduce muchas más dimensiones espaciales, por lo que comprender cómo funcionan las dimensiones en relatividad es un punto de partida crucial para comprender algunos de los aspectos confusos de la teoría de cuerdas.

Siguiendo el haz de luz que rebota

La razón de este vínculo espacio-tiempo proviene de la aplicación muy cuidadosa de los principios de la relatividad y de la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es la distancia que la luz recorre dividida por el tiempo que toma recorrer este camino, y (según el segundo principio de Einstein) todos los observadores deben estar de acuerdo en esta velocidad.

A veces, sin embargo, diferentes observadores no están de acuerdo en la distancia que ha recorrido un rayo de luz, dependiendo de cómo se están moviendo a través del espacio. Esto significa que para obtener la misma velocidad, los observadores deben estar en desacuerdo sobre el momento en que el rayo de luz recorre la distancia dada.

Usted puede imaginárselo por sí mismo entendiendo el experimento de pensamiento representado en esta figura. Imagina que estás en una nave espacial y sosteniendo un láser para que dispare un rayo de luz directamente hacia arriba, golpeando un espejo que has colocado en el techo. El rayo de luz vuelve a descender y golpea un detector.

Sin embargo, la nave espacial viaja a una velocidad constante de la mitad de la velocidad de la luz (0.5c, como lo escribirían los físicos). Según Einstein, esto no hace ninguna diferencia para ti – ni siquiera puedes decir que te estás mudando. Sin embargo, si la astronauta Amber te estuviera espiando, como en la parte inferior de la figura, sería una historia diferente.

El ámbar vería su rayo de luz viajar hacia arriba a lo largo de una trayectoria diagonal, golpear el espejo, y luego viajar hacia abajo a lo largo de una trayectoria diagonal antes de golpear el detector. En otras palabras, tú y Amber verían caminos diferentes para la luz y, lo que es más importante, esos caminos ni siquiera tienen la misma longitud.

Esto significa que el tiempo que el rayo tarda en pasar del láser al espejo y al detector también debe ser diferente para usted y para Amber para que ambos estén de acuerdo en la velocidad de la luz.

Este fenómeno se conoce como dilatación del tiempo, donde el tiempo en una nave que se mueve muy rápidamente parece pasar más lento que en la Tierra. De alguna manera, este aspecto de la relatividad puede ser utilizado para permitir el viaje en el tiempo. De hecho, permite la única forma de viajar en el tiempo que los científicos saben que es físicamente posible.

Por extraño que parezca, este ejemplo (y muchos otros) demuestra que en la teoría de la relatividad de Einstein, el espacio y el tiempo están íntimamente ligados. Si se aplican las ecuaciones de transformación de Lorentz, funcionan de manera que la velocidad de la luz sea perfectamente consistente para ambos observadores.

Este extraño comportamiento del espacio y el tiempo sólo es evidente cuando se viaja cerca de la velocidad de la luz, así que nadie lo había observado antes. Los experimentos realizados desde el descubrimiento de Einstein han confirmado que es cierto: el tiempo y el espacio se perciben de manera diferente, precisamente de la forma en que Einstein lo describió, para los objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz.

Construyendo el continuo espacio-tiempo

El trabajo de Einstein había mostrado la conexión entre el espacio y el tiempo. De hecho, su teoría de la relatividad restringida permite que el universo se muestre como un modelo de 4 dimensiones: tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. En este modelo, el camino de cualquier objeto a través del universo puede ser descrito por su línea del mundo a través de las cuatro dimensiones.

Uno de los elementos de este trabajo es el diagrama de Minkowski (un viejo profesor de Einstein), que muestra la trayectoria de un objeto a través del espacio-tiempo. Muestra un objeto en un gráfico, donde un eje es espacio (las tres dimensiones son tratadas como una dimensión para simplificar) y el otro eje es tiempo.

A medida que un objeto se mueve a través del universo, su secuencia de posiciones representa una línea o curva en el gráfico, dependiendo de cómo viaja. Esta ruta se llama la línea del mundo del objeto, como se muestra en la figura. En la teoría de cuerdas, la idea de una línea del mundo se expande para incluir el movimiento de las cuerdas, en objetos llamados hojas de mundos.

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