¿Qué es el espacio-tiempo (explicación sencilla)?

Question

¿Alguien puede por favor explicar concepto de espacio-tiempo en un lenguaje sencillo? ¿Qué es y cómo es importante en el universo?

Siempre que he intentado buscar este concepto, me he encontrado con explicaciones más complicadas.

Un ejemplo sencillo será apreciado.

Answer 1

La intuitiva y la idea tradicional del espacio y del tiempo es que los objetos de vivir en una infinita tres dimensiones de la caja, el espacio, y que su movimiento en el espacio suceder en el tiempo de tal manera que en cada definitiva momento en el tiempo todos los objetos tienen una posición, y podemos comparar esas posiciones porque el tiempo fluye la misma para todos los objetos.

Los físicos descubrieron que no hay tal cuadro, y no hay tal flujo del tiempo. Este tradicional espacio/tiempo marco algo tiene, pero sólo relativamente a un objeto; no es el mismo para todos los objetos.

Así que no hay universal espacial de fondo, y no universal de tiempo de flujo.

El espacio-tiempo es, entonces, el concepto que utilizamos para todavía tener un fondo después de todo. Mediante la formación de un espacio (en el sentido matemático) combina elementos tradicionales de espacio y tiempo tradicional en un intrincado camino de lo que permite el espacio para girar en el tiempo y en el revés, todavía podemos obtener con la idea de que hay algo de suave universal escena donde todo sucede.

El precio a pagar para ver el espacio-tiempo como un fondo es que esta escena es completamente estático, a veces llamado el bloque universo. Pero ya que todo el espacio y todo el tiempo están intrínsecamente parte de él, en realidad, no puede ser concebida desde un punto de vista externo, y, de hecho, las ecuaciones de Einstein son estrictamente locales y relacional: se describe la forma de la distribución de la energía define su propio patio de recreo y cómo el tiempo y el espacio puede ser visto en la manera en que estamos acostumbrados a solo instante por instante específicos para los observadores, cuyo mutuo perspectivas están siempre cambiando y transformando. En ese punto de vista espacio-tiempo está lejos de ser estática, es más como una especie de fluido.

Answer 2

Un experimentales de la respuesta:

En física de partículas, los datos muestran que uno no está tratando con un espacio tridimensional que tiene como parámetro el tiempo, pero que el espacio y el tiempo están unidos en un determinado modo matemático en lo que se llama un "cuatro espacio vectorial".

En la mecánica clásica de un vector en el espacio es de tres dimensiones de fila o columna con los valores de campo de los números reales que siga eucledian tranformation propiedades en virtud de las traducciones y de rotación.

El impulso por ejemplo, $(p_x,p_y,p_z)$ son los tres componentes del vector cuya longitud es de $p$ y está dada por

$$p=\sqrt{p_x^2+p_y^2+p_z^2}$$

Que es invariante bajo rotaciones y la traducción del sistema de referencia.

Relativista de la mecánica que se mantenga de alta energía y los impulsos, y que sean necesarias en orden a dar sentido a la gran cantidad de partículas de datos, requiere de cuatro vectores,

El impulso del vector anterior, se modifica y se llama cuatro impulso ( $c=1$ en esto):

$$(p_x,p_y,p_z,E)$$ .

En este sentido, la "longitud" de los cuatro impulso se convierte en el $\sqrt{E^2-p_x^2-p_y^2-p_z^2}$ y es la masa de la partícula en estudio, un invariante en todos Lorenz transformación de los marcos.

Así, en analogía a llamar a tres dimensiones del espacio , el espacio de obedecer euclidiana reglas, nosotros llamamos las cuatro dimensiones del espacio de esta construcción especial, que aclara las reglas de transformación en interacciones de partículas, el espacio de tiempo para indicar que hay que tratar con especial fourvector cantidades.

Answer 3

El espacio-tiempo es, como el nombre lo sugiere, el espacio y el tiempo juntos.

Pero hay más a él!

El espacio 3D no es sólo horizontal 2D plano y a la altura juntos. También puede rotar cosas, por lo que para algunos objetos en 3D, usted no tiene únicamente se especifica cuál es su altura - esto puede cambiar a medida que gira. Cosa Similar sucede con el espacio-tiempo.

En el espacio 3D, al girar cosas, no hace mucho, sólo el cambio de sistema de coordenadas. Las distancias de la misma estancia. Cuadrado de la distancia $s$ está dado por $$\begin{equation} s^2=\Delta x^2+\Delta y^2+\Delta z^2 \end{equation}$$

En el espacio-tiempo, es obvio que se puede rotar cosas, pero usted puede también a las "rotaciones", que involucran a tiempo. Ellos son llamados "transformaciones de Lorentz" (no son muy rotaciones, ver gif). Así, una vez que usted tiene el espacio-tiempo, el espacio y el tiempo se pueden mezclar. Lo que sigue siendo la misma es la siguiente cantidad: $$\begin{equation} s^2=-c^2\Delta t^2+\Delta x^2+\Delta y^2+\Delta z^2 \end{equation}$$ donde $c$ es la velocidad de la luz.

Uno podría preguntar: "¿y qué? Esto parece sólo una fantasía de matemáticas/juego de definiciones/lo que sea...", pero hay algunas consecuencias interesantes. La relatividad de la simultaneidad es uno de ellos. En palabras simples, significa que (a diferencia de algunas filosofías de tiempo), no es definida de forma única "ahora" (excepto el "aquí y ahora"), así como no definida de forma única "esta cantidad a la derecha" en el espacio. Consecuencia de la relatividad de la simultaneidad es el que más rápido que la luz (FTL) de viaje, en principio, podría ser utilizado para viajar en el tiempo. Sin embargo, hasta ahora no sabemos de ninguna de las leyes de la física que permita FTL transferencia de información, pero esa es otra historia.

Answer 4

Uno de los principios de la relatividad es colocar tanto en el espacio y el tiempo en un pie de igualdad. En la relatividad especial, usted aprenderá que no sólo, como en la relatividad Galileana, uno puede estar en desacuerdo en decir las velocidades, pero no existe un tiempo absoluto - de hecho, es también relativa, motivando a mantener el tiempo que tiene el mismo estatus como una coordenada espacial, en lugar de un parámetro.

Así, el plano espacio-tiempo de Minkowski es, simplemente, $\mathbb{R}^{1,n-1}$ con una timelike coordinar y $n-1$ spacelike coordenadas, para un $n$espacio tridimensional. Tiene una propiedad especial, sin embargo. Si usted piensa de distancias en el espacio Euclidiano, tenemos que,

$$ds^2 = dx^2 + dy^2 + dz^2$$

como usted está familiarizado con, desde el aprendizaje del teorema de Pitágoras. Sin embargo, en el espacio-tiempo, tenemos que medir distancias de forma ligeramente diferente, de acuerdo a

$$ds^2 = dt^2 - dx^2 - dy^2 - dz^2$$

o, alternativamente,

$$ds^2 = -dt^2 + dx^2 + dy^2 + dz^2$$

en lugar de tomar el enfoque ingenuo de la geometría Euclidiana. Hay algunas profundas implicaciones del hecho de que el espacio-tiempo tiene la firma de $(1,n-1)$ frente al $(n,0)$, pero esto sería más allá del alcance de su pregunta.

En cuanto a por qué es importante, el concepto de espacio-tiempo se utiliza en la teoría de la gravitación conocida como teoría general de la relatividad y la moderna física de partículas utiliza un marco llamado la teoría cuántica de campos que se basa en el espacio-tiempo así. Sin embargo, los acontecimientos recientes sugieren que esta formulación en realidad puede tener inconvenientes, pero, una vez más, por qué es más allá del alcance aquí.

Answer 5

El espacio-tiempo es un sistema en el que ninguno de los tres criterios de espacio, ni el reloj de tiempo son invariantes con respecto a todos los observadores y de los objetos observados.

La aparición de patrones y relojes varía dependiendo de las velocidades relativas de los observadores y de los objetos observados, o en su aceleración, o en la posición de un observador o un objeto observado dentro de un campo gravitacional.

Los cuatro vectores (espacio y tiempo) de espacio-tiempo están unificados, como los sucesos de cada observador del cuadro de referencia, en lugar de como lugares y tiempos dentro de un marco de referencia universal.