¿Qué es el espacio-tiempo?

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Durante estos últimos días hemos estado escuchando un río constante de noticias relacionadas con el reciente descubrimiento de las ondas gravitacionales, al igual que hicimos en este vídeo.

Cuando nos tratan de explicar qué son las ondas gravitacionales (y al igual que en el vídeo), invariablemente la historia comienza con “son perturbaciones del tejido espacio-tiempo que…” Siempre hay partes de la explicación que dan por sentado que el lector (u oyente) tiene un conocimiento más o menos preciso sobre ciertos términos científicos, y éstos terminan por obviarse y en algunos casos, ignorarse. Pero, ¿qué es exactamente el tejido espacio-tiempo? ¿Cómo explicarlo a un grupo de gente sin conocimientos previos de física?

Cuando preguntamos en cuántas dimensiones vivimos, la persona media respondería que vivimos en un mundo en 3D. Todo lo que vemos tiene una altura, una anchura, y una profundidad, y cada una de estas medidas es una dimensión diferente. Una línea recta solamente tiene una dimensión, ya que puede ser explicada únicamente con una coordenada. Para localizar un cuadrado, por ejemplo, se requieren dos dimensiones (generalmente representadas como  x e y) ya que dicha forma tiene una base y una altura. Por último, un cubo requiere de tres dimensiones, que serían las dos anteriores, más la profundidad (z), como se explica en la imagen de más abajo. De esta misma manera cuando vamos al cine a ver una película en 3D vemos que es similar a las películas clásicas (en 2D), pero la tercera dimensión aporta un grado de realismo que hace que parezca que la película salte de la pantalla.

Representación de una dimensión, dos dimensiones y tres dimensiones. Imagen: ¡Qué Fuerte es la Ciencia!

Pero realmente, nosotros no vivimos en un mundo en 3D. Un objeto que ahora se encuentra en unas coordenadas x, y, z, puede no encontrarse en ese mismo lugar el momento siguiente. De hecho, nada permanece exactamente en el mismo lugar en dos momentos diferentes. Los átomos se mueven, la Tierra rota, el Sistema Solar se desplaza, las galaxias se separan y el universo se expande. ¿Cómo explicar esto? Para esto necesitamos una cuarta dimensión, t, con la que referirnos a la realidad que nos rodea. Con ella, las coordenadas x, y, z, t, son suficientes para conocer la posición de un objeto en un momento preciso. Y, sí, t es el tiempo.

Hasta principios del Siglo XX se creía que las tres dimensiones de espacio y la de tiempo eran independientes. Existen objetos, y estos objetos existen dentro de una línea temporal. El tiempo es, pues, igual para todos. Dicho de otro modo, el objeto no afecta al tiempo, sino que simplemente existe en él. ¿Pero, es esto así?

No.

La intuición que nos llevó a cuestionar la inmutabilidad del tiempo fue la siguiente. Por un lado, se sabe y se ha probado innumerables veces que la velocidad a la que viaja la luz en el vacío es constante (299.792.458 metros por segundo). Ahora imagina una persona caminando hacia otra con una linterna. Esto implicaría un aumento de la velocidad a la que viaja la luz de dicha linterna igual a la velocidad del caminante. Pero esto no puede ser, ya que nada viaja más rápido que la luz, y su velocidad es constante. Entonces, ¿qué sucede aquí? Lo que sucede es que los objetos en movimiento experimentan un paso del tiempo más lento que los objetos estacionarios. La luz de la linterna está viajando a casi 300 millones de metros por segundo, pero son los segundos los que pasan un poquito más lentos. De este modo la velocidad constante no se rompe.

Ilustración de un satélite GPS sobre la Tierra. Imagen: Boeing Graphic

Es precisamente a través del mismo mecanismo que hay que recalibrar constantemente los sistemas de GPS. El GPS es un sistema de posicionamiento global que funciona a través de la triangulación de un objeto mediante satélites. Estos satélites viajan a unos 14.000Km/h, por lo que completan una órbita a la Tierra cada 12 horas más o menos. A esta velocidad el tiempo transcurre más lentamente y, de hecho, los relojes internos de los satélites (atómicos e increíblemente precisos) deben ajustarse de manera diaria, ya que de no ser así recibiríamos coordenadas desviadas varios metros de la realidad.

Así pues, el espacio y el tiempo deben considerarse como un ente único, como una especie de pasta que envuelve todos los objetos.

En los artículos en que se describen las ondas gravitacionales, se utiliza una propiedad desarrollada por Albert Einstein en su teoría de la relatividad general de 1915, en la que se describe cómo la gravedad afecta el tejido espacio-tiempo. La imagen más famosa asociada a esta idea es la de una cuadrícula bidimensional que se deforma en su centro por el peso de un cuerpo celeste. En realidad esta cuadrícula es tridimensional, similar a como aparece en esta imagen, y como ahora sabes, dicho efecto de la gravedad es al tejido espacio-tiempo en sí.

Representación del efecto de la gravedad de un cuerpo celeste en el tejido espacio-tiempo

Dado que la perturbación de un cuerpo en el espacio-tiempo tiene un efecto muy limitado y se hace imperceptible muy rápidamente, se han buscado los fenómenos más potentes para tratar de encontrar restos de sus perturbaciones espacio-temporales. En el caso del descubrimiento de las ondas gravitacionales las perturbaciones detectadas por el Observatorio LIGO en EE.UU. han sido las causadas por la fusión de dos agujeros negros. Aun así, su variación en el tejido espacio-tiempo es minúsculo, de un tamaño miles de veces inferior al de un protón. Pero este avance científico ha abierto la puerta para estudiar el universo desde un nuevo ángulo; no con el uso del espectro electromagnético como hasta ahora, sino con el efecto provocado al tejido en el que se asienta el universo: el espacio-tiempo.

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2017-02-07T17:02:11+00:00