De que é feito o espaço-tempo?

8

A relatividade geral é frequentemente explicada como dizendo que o espaço-tempo é curvado pela gravidade, o que isso significa? Como poderíamos perceber uma curva no espaço-tempo quando não há um referencial externo "direto", por exemplo?

Marijn
fonte
Dimensões. Pense em dimensões.
Nico
5
Acho que seu título e sua pergunta são dois tópicos bastante diferentes, embora relacionados. Suponho que você queira dizer "Do que (não onde ) é feito o espaço-tempo". A resposta é um tanto filosófica, mas uma discussão física provavelmente se encaixa melhor no fórum physics.SE. A resposta para "O que são ondas gravitacionais e como elas funcionam" é mais tangível (embora não seja super fácil de entender), mas também deve ser solicitada no fórum de física, eu acho.
Pela
Se se pode dizer que uma área do espaço desprovida de qualquer matéria e desprovida de energia possui alguma característica residual, ela deve, em certo sentido, ser composta de alguma coisa. Caso contrário, não teria energia de ponto zero ou espuma quântica. IM não educado O.
Howard Miller
Muito hipotética, mas alguns cientistas estão realmente tentando descobrir se isso é verdade ou não: quantamagazine.org/20160119-time-entanglement
Florin Andrei
1
Vácuo quântico e campo de Higgs
0poverty 0tyranny

Respostas:

7

O espaço-tempo não é "feito" de nada, é apenas um sistema médio ou de coordenadas. Pense nas linhas de grade de um mapa, elas não são "feitas" de nada, são apenas uma representação da geometria da Terra. Espaço-tempo é um conceito previsto por Einstein quando ele escreveu sua teoria da Relatividade Especial de que as propriedades do espaço e do tempo se tornam intrinsecamente ligadas a velocidades relativísticas. Uma das conseqüências disso é que você não pode avançar no espaço sem avançar no tempo; isso pode ser visualizado em um cone de luz:

Isso não é de forma alguma uma representação de como o espaço-tempo se parece, apenas como ele se comporta em duas dimensões do espaço e uma de tempo. As ondas gravitacionais são causadas quando dois objetos maciços (estrelas binárias) orbitam entre si e causam "ondulações" no espaço-tempo. Novamente, é necessária outra visualização 2D: insira a descrição da imagem aqui Isso mostra como os potenciais gravitacionais de duas estrelas interagem no tecido do espaço-tempo enquanto orbitam, causando a radiação das ondas gravitacionais.

Ambos são apenas guias visuais; nunca seremos capazes de "ver" ondas gravitacionais ou o próprio espaço-tempo com nossos próprios olhos; é por isso que precisamos de detectores como LIGO ou VIRGO para inferir sua existência.

reitor
fonte
Então, quando digo que o espaço não é nada real, mas apenas um instrumento teórico de análise do que está ok?
Marijn
O espaço é real; caso contrário, simplesmente não existiríamos, não há nada teórico sobre isso. As ondas gravitacionais, por outro lado, ainda são uma teoria, porque ainda não foram detectadas. Não entendo o que você quer dizer com "instrumento teórico de análise"?
decano
Eu pensei que o dogma atual era que tudo é feito de outra coisa. Chutando a lata no caminho.
LocalFluff
Por "instrumento teórico de análise", quero dizer que este é apenas o teatro em que tudo está acontecendo. Imagine que, na próxima semana, pareçam existir ondas de gravidade. Qual é a necessidade do espaço, enquanto as interações entre planetas são organizadas apenas por gravitons, precisamos realmente do espaço como uma coisa real?
Marijn
1
Essa resposta é bastante enganadora, porque sugere que a curvatura de um sistema de coordenadas é o que significa curvatura do espaço-tempo. Isso seria muito errado, por exemplo, levar o sistema de coordenadas curvilíneas no espaço-tempo plano, em algum sentido, representa uma mudança não trivial no campo gravitacional (especificamente, no sentido de alterar os coeficientes de conexão), mas definitivamente não é fisicamente significativo, nem introduza qualquer curvatura. As coordenadas simplesmente não são fisicamente importantes; são rótulos que damos eventos.
Stan Liou 04/02
6

A relatividade geral é frequentemente explicada como dizendo que o espaço-tempo é curvado pela gravidade, o que isso significa?

Isso significa que a relatividade geral pode ser formulada de maneira que sua matemática tenha uma analogia muito direta com a geometria diferencial em uma variedade quadridimensional curva. Em outras palavras, a maneira como as partículas de teste se comportariam sob a influência de apenas forças gravitacionais é exatamente como elas se comportariam se se movessem livremente em uma variedade quadridimensional curva. A matemática tem uma correspondência direta: nada mais, nada menos.

O eletromagnetismo tem uma descrição na qual a força do campo eletromagnético é a curvatura de uma conexão em um feixe de linhas. Percebo que essa afirmação é muito enigmática para alguém que não estudou a teoria dos medidores, mas é importante perceber que uma descrição essencialmente geométrica não é especial para a gravidade. O que é especial para a gravidade é que ela acopla todos os momentos de tensão-energia igualmente, e a queda livre gravitacional de uma partícula de teste é completamente independente da composição.

Por causa dessa universalidade, é possível interpretar as propriedades do campo gravitacional como propriedades do espaço-tempo, isto é, como propriedades da arena na qual tudo acontece. Não precisamos fazer isso e, de fato, há algumas apresentações de relatividade geral (por exemplo, de Weinberg) nas quais a interpretação geométrica é relegada a uma nota lateral sem importância, mas podemos - e a geometria é como a relatividade geral foi originalmente desenvolvida .

Como poderíamos perceber uma curva no espaço-tempo quando não há um referencial externo "direto", por exemplo?

Nós poderíamos medir.

Como uma maneira conceitualmente (mas não praticamente) simples de fazer isso, poderíamos montar uma pequena bola que consiste inicialmente em remover partículas de teste. Sem nenhuma curvatura do campo gravitacional, cada bola manteria a mesma forma e volume porque todas as partículas de teste estão se movendo na mesma direção e com a mesma velocidade. Mas se o campo gravitacional tiver curvatura de Ricci, o volume da bola começará a encolher ou expandir. Da mesma forma, mudanças na forma da bola dariam informações sobre a curvatura de Weyl.

Esse é o mesmo tipo de resposta que no caso do eletromagnetismo: a força do campo também é um tipo de curvatura (embora não do espaço-tempo), mas como a percebemos? Bem, poderíamos medi-lo vendo como as cargas de teste se comportam.

Stan Liou
fonte
1

Uma cartilha matemática.

Um triângulo em uma superfície plana tem três ângulos, e esses três ângulos somam 180 graus - Esse é um teorema bem conhecido da geometria. Também é sabido que, se você desenhar um triângulo em uma bola, os ângulos aumentarão mais de 180 graus, devido à curvatura da bola. (e se você desenhar um pringles nítido, a soma do ângulo será menor que 180).

Uma criatura que rasteja na bola poderia, observando apenas os ângulos, descobrir que a superfície da bola estava curvada. Portanto, a curvatura pode ser observada por uma criatura que inspeciona apenas partes locais da bola; ela não precisa se afastar da bola para observar sua curvatura. A curvatura é uma propriedade intrínseca.

Da mesma forma, não precisamos ficar fora do espaço-tempo para observar que o espaço-tempo é curvo. Na verdade, os ângulos em triângulos não somam 180 devido à curvatura gravitacional do espaço (mas esse efeito é muito pequeno para ser perceptível). Podemos perceber uma curvatura no espaço-tempo sem que o espaço-tempo tenha que estar "dentro" de qualquer outra coisa.

A consequência mais óbvia do espaço-tempo ser curvado é que as coisas caem em direção ao centro da Terra.

Em algum nível, você deve se lembrar que a relatividade geral descreve um modelo teórico de como a mecânica gravitacional funciona. Esse modelo inclui coordenadas de tempo e espaço e, neste modelo, espaço-tempo é uma construção matemática , que nos permite prever com extrema precisão o comportamento de objetos sob influência gravitacional.

James K
fonte
"espaço-tempo é um construto matemático": Portanto, ele não precisa existir, como o teorema de Pitágoras não é necessário para ter um triângulo?
Marijn
1
@ Marijn Essa não é uma boa analogia, porque a segunda parte da sua afirmação é um reflexo do fato de que o teorema de Pitágoras é válido apenas para triângulos retângulos.
HDE 226868
1

A relatividade geral é frequentemente explicada como dizendo que o espaço-tempo é curvado pela gravidade, o que isso significa?

Isso soa esquivo.

A gravidade é uma manifestação da curvatura do espaço-tempo causada por, entre outras coisas, objetos maciços como estrelas, planetas etc. Em outras palavras, a gravidade é uma conseqüência da curvatura do espaço-tempo.

Como poderíamos perceber uma curva no espaço-tempo quando não há um referencial externo "direto", por exemplo?

Como as respostas acima, isso é alcançado através de observações ou medições experimentais. Por exemplo, Eddington mediu a curvatura da luz ao redor do ramo do Sol, que não seria possível onde não fosse a curvatura.

Rumplestillskin
fonte
1

A relatividade geral é frequentemente explicada como dizendo que o espaço-tempo é curvado pela gravidade, o que isso significa?

O comentário deste OP reduziu a questão:

Então [o espaço-tempo] não precisa existir, como o teorema de Pitágoras não é necessário para ter um triângulo? Marijn Feb 4 '16 às 20:24

O espaço-tempo é um mapa e não um território. O espaço-tempo é um modelo. Em outras palavras, é algo que existe no cérebro humano, para ajudar esse cérebro a prever exatamente as experiências futuras a partir de experiências anteriores. Por exemplo, o conceito de espaço-tempo (no contexto da Teoria Geral da Relatividade) ajuda a prever que as lentes gravitacionais existem. Seu cérebro está melhor equipado para processar nesse nível, em vez de calcular a mesma imagem, pegando um monte de fótons individuais e aplicando as equações a cada fóton.

Exemplo de lente gravitacional

Um "modelo" dentro de um cérebro é criado imaginando algo muito próximo da realidade e, em seguida, removendo deliberadamente os detalhes até que você tenha algo tão simples que se torne computável . Você esquece todos os atributos de uma estrela (cor, civilizações alienígenas ao seu redor, sua pré-história, sua dinâmica interna) e só pensa na estrela como massa, etc. Dessa forma, você transforma a "imaginação esclarecedora" em um "mecanismo primitivo utilizável". para prever experiências ".

Marjin, gostaria de dizer que adoro o estilo de suas perguntas e me inscrevi especialmente para tentar responder a essa pergunta.

kubanczyk
fonte
Não posso decidir se discordo do que você diz sobre "o espaço-tempo existe apenas no cérebro humano". Posso ver o que você está tentando dizer, mas acho que é uma má escolha de palavras. Se você remover o espaço-tempo do cérebro humano, ainda existirá, só que ele não terá qualquer ser humano para dar-lhe o nome de "espaço-tempo"
Dean
Não @ Dean. Você parece misturar o mapa com o território. Deixe-me perguntar: sua afirmação adicional "o espaço-tempo existe fora do meu cérebro" permite prever alguma experiência adicional ? Como teoria científica, é experimentalmente falsificável?
precisa saber é o seguinte
1
Sei o que você está dizendo sobre o mapa e o território, só acho que é uma má escolha de palavras que podem ser mal interpretadas que o espaço-tempo é apenas uma invenção do cérebro humano. É como a maioria das matemáticas, nós não a inventamos, apenas a descobrimos. Eu não entendo sua pergunta sobre experiências, você quer dizer como a força da gravidade? Tenho uma pergunta para você: se o espaço-tempo é o mapa, qual é o território?
Dean
Experiências, especialmente experiências, são os sinais que entram em seu cérebro como, por exemplo, "oh, eu vejo essas galáxias parecerem se curvar nessa imagem". Você usa a matemática para tentar prever experiências futuras. Você faz isso dentro do seu cérebro. Prever experiências futuras é bom para você, porque permite que você mate aquele grande mamute e tenha muita carne gorda durante o inverno. Argumentar que a matemática também existe fora do cérebro é inútil porque não ajuda a pegar a carne - eles também chamam de navalha de Occam.
Kubanczyk
1
@ Dean, se a matemática é descoberta ou inventada, é uma questão filosófica que certamente é questionável em qualquer direção, mas nenhuma das reivindicações tem conteúdo científico. Vamos apenas dizer que sua posição sobre isso está longe de ser universalmente compartilhada.
Stan Liou 04/02