Pergunte a Ethan: Por que o tempo deve ser uma dimensão?
Uma foto de lapso de tempo como esta composição nos lembra que as fotografias são normalmente instantâneos de locais em momentos específicos, com cada momento distinto e único do anterior. Crédito da imagem: usuário do flickr Anthony Pucci.
Claro, nos movemos por ele como o espaço, mas foram as consequências de Einstein que nos levaram a realmente entendê-lo.
É a velhice, e não a morte, que deve ser contrastada com a vida. A velhice é a paródia da vida, enquanto a morte transforma a vida em destino: de certa forma, preserva-a dando-lhe a dimensão absoluta. A morte acaba com o tempo. – Simone de Beauvoir
Quando pensamos em como podemos nos mover pelo Universo, imediatamente pensamos em três direções diferentes. Esquerda ou direita, para frente ou para trás e para cima ou para baixo: as três direções independentes de uma grade cartesiana. Todos os três contam como dimensões e, especificamente, como dimensões espaciais. Mas comumente falamos de uma quarta dimensão de um tipo muito diferente: o tempo. Mas o que torna o tempo uma dimensão? Essa é a pergunta Ask Ethan desta semana de Thomas Anderson, que quer saber:
Sempre fiquei um pouco perplexo com o continuum do Espaço-tempo 3+1 dimensional. Por que são sempre 3 dimensões [espaciais] mais o Tempo?
Vamos começar analisando as três dimensões do espaço com as quais você está familiarizado.
Na superfície de um mundo como a Terra, duas coordenadas, como latitude e longitude, são suficientes para definir uma localização. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Hellerick.
Aqui na superfície da Terra, normalmente só precisamos de duas coordenadas para identificar nossa localização: latitude e longitude, ou onde você está ao longo dos eixos norte-sul e leste-oeste da Terra. Se você está disposto a ir para o subsolo ou acima da superfície da Terra, você precisa de uma terceira coordenada – altitude/profundidade, ou onde você está ao longo do eixo de cima para baixo – para descrever sua localização. Afinal, alguém em sua localização bidimensional exata, latitude e longitude, mas em um túnel sob seus pés ou em um helicóptero não está realmente no mesmo local que você. São necessárias três informações independentes para descrever sua localização no espaço.
Sua localização neste Universo não é descrita apenas por coordenadas espaciais (onde), mas também por uma coordenada de tempo (quando). Crédito da imagem: usuário do Pixabay rmathews100.
Mas o espaço-tempo é ainda mais complicado do que o espaço, e é fácil perceber porquê. A cadeira em que você está sentado agora pode ter sua localização descrita por essas três coordenadas: x , e e com . Mas também está ocupado por você agora, ao contrário de uma hora atrás, ontem ou daqui a dez anos. Para descrever um evento, não basta saber onde ele ocorre; você também precisa saber quando, o que significa que você precisa saber a coordenada de tempo, t . Isso foi importante pela primeira vez na relatividade, quando estávamos pensando na questão da simultaneidade. Comece pensando em dois locais separados conectados por um caminho, com duas pessoas andando de um local para o outro.
Dois pontos conectados por um caminho unidimensional (linear). Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Simeon87.
Você pode visualizar seus caminhos colocando dois dedos, um de cada mão, nos dois locais de partida e caminhando em direção aos seus destinos. Em algum momento, eles precisarão passar um pelo outro, o que significa que seus dois dedos terão que estar no mesmo local ao mesmo tempo. Na relatividade, isso é conhecido como um evento simultâneo, e só pode ocorrer quando todos os componentes do espaço e todos os componentes do tempo de dois objetos físicos diferentes se alinham.
Isso é extremamente incontroverso e explica por que o tempo precisa ser considerado como uma dimensão pela qual nos movemos, da mesma forma que qualquer uma das dimensões espaciais. Mas foi a teoria da relatividade especial de Einstein que levou seu ex-professor, Hermann Minkowski, a conceber uma formulação que unisse as três dimensões do espaço e a dimensão do tempo.
Seja plano ou curvo, mover-se pelo espaço também tem implicações para o movimento no tempo. Crédito da imagem: usuário do Pixabay JohnsonMartin.
Todos nós percebemos que mover-se pelo espaço requer movimento através do tempo; se você está aqui, agora, você não pode estar em outro lugar agora também, você só pode chegar lá mais tarde. Em 1905, a relatividade especial de Einstein nos ensinou que a velocidade da luz é um limite universal de velocidade e que, à medida que você se aproxima, experimenta os estranhos fenômenos de dilatação do tempo e contração do comprimento. Mas talvez o maior avanço tenha ocorrido em 1907, quando Minkowski percebeu que a relatividade de Einstein tinha uma implicação extraordinária: matematicamente, o tempo se comporta exatamente da mesma forma que o espaço, exceto com um fator de c , a velocidade da luz no vácuo e um fator de eu , o número imaginário √(-1).
Um exemplo de um cone de luz, a superfície tridimensional de todos os raios de luz possíveis que chegam e partem de um ponto no espaço-tempo. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons MissMJ.
Juntar todas essas revelações produziu uma nova imagem do Universo, particularmente no que diz respeito a como nos movemos por ele.
- Se você está completamente parado, permanecendo na mesma localização espacial, você se move no tempo em sua taxa máxima.
- Quanto mais rápido você se move pelo espaço, mais Mais devagar você se move através do tempo, e mais curtas parecem ser as distâncias espaciais em sua direção de movimento.
- E se você fosse completamente sem massa, você se moveria na velocidade da luz, onde você atravessaria sua direção de movimento instantaneamente, e nenhum tempo passaria para você.
Um observador estacionário vê o tempo passar normalmente, mas um observador movendo-se rapidamente pelo espaço terá seu relógio mais lento em relação ao observador estacionário. Crédito da imagem: Michael Schmid do Wikimedia Commons.
Do ponto de vista da física, as implicações são surpreendentes. Isso significa que todas as partículas sem massa são intrinsecamente estáveis, já que nenhum tempo pode passar para elas. Isso significa que uma partícula instável, como um múon criado na alta atmosfera, pode atingir a superfície da Terra, apesar do fato de que multiplicar seu tempo de vida (2,2 µs) pela velocidade da luz produz uma distância (660 metros) muito menor do que a distância que deve percorrer. E isso significa que se você tivesse um par de gêmeos idênticos e deixasse um na Terra enquanto o outro fizesse uma viagem relativística ao espaço, o gêmeo viajante seria muito mais jovem ao retornar, tendo experimentado a passagem de menos tempo.
Mark e Scott Kelly no Johnson Space Center, Houston Texas; um passou um ano no espaço (e envelheceu um pouco menos), enquanto o outro permaneceu no solo. Crédito da imagem: NASA.
Como Minkowski disse em 1908,
As visões de espaço e tempo que desejo apresentar a vocês surgiram do solo da física experimental, e é aí que reside sua força. Eles são radicais. Doravante, o espaço por si mesmo e o tempo por si só estão fadados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente.
Hoje, a formulação do espaço-tempo é ainda mais genérica e engloba a curvatura inerente ao próprio espaço, que é como a relatividade especial se generalizou. Mas a razão pela qual o tempo é uma dimensão tão boa quanto o espaço é porque estamos sempre nos movendo através dele, e a razão pela qual às vezes é escrito como 1″ em 3+1″ (em vez de apenas tratado como outro 1″ dos 4″ ) é porque aumentar seu movimento no espaço diminui seu movimento no tempo e vice-versa. (Matematicamente, é aqui que o eu entra.)
Ter sua câmera antecipando o movimento dos objetos ao longo do tempo é apenas uma aplicação prática da ideia de tempo-como-dimensão. Crédito da imagem: Sony, via https://www.youtube.com/watch?v=wy8TAGFC95o .
O notável é que qualquer pessoa, independentemente de seu movimento no espaço em relação a qualquer outra pessoa, verá essas mesmas regras, esses mesmos efeitos e essas mesmas consequências. Se o tempo não fosse uma dimensão dessa maneira exata, as leis da relatividade seriam inválidas e ainda poderia haver um conceito válido, como espaço absoluto. Precisamos da dimensionalidade do tempo para que a física funcione da maneira que funciona, e ainda assim nosso Universo fornece isso muito bem. Tenha orgulho de dar +1 em tudo que você faz.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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