Espaço-tempo
Espaço-tempo , nas ciências físicas, conceito único que reconhece a união do espaço e do tempo, proposto pela primeira vez pelo matemático Hermann Minkowski em 1908 como forma de reformular Albert Einstein Teoria especial de relatividade (1905).
Comum intuição anteriormente não supunha nenhuma conexão entre espaço e tempo. O espaço físico era considerado um contínuo plano e tridimensional - ou seja, um arranjo de todas as localizações de pontos possíveis - ao qual se aplicariam os postulados euclidianos. Para tal variedade espacial, cartesiana coordenadas parecia mais naturalmente adaptado, e linhas retas podiam ser convenientemente acomodadas. O tempo era visto independentemente do espaço - como um espaço separado e unidimensional continuum , completamente homogêneo ao longo de sua infinito extensão. Qualquer agora no tempo pode ser considerado uma origem da qual levar a duração passada ou futura para qualquer outro instante de tempo. Sistemas de coordenadas espaciais em movimento uniforme anexados ao tempo uniforme continue representava todos os movimentos não acelerados, a classe especial dos chamados referenciais inerciais. O universo de acordo com essa convenção foi chamado de Newtoniano. Em um universo newtoniano, as leis da física seriam as mesmas em todos os referenciais inerciais, de modo que não se poderia destacar um deles como representante de um estado de repouso absoluto.
No universo de Minkowski, a coordenada de tempo de um sistema de coordenadas depende das coordenadas de tempo e espaço de outro sistema relativamente móvel de acordo com uma regra que forma a alteração essencial necessária para a teoria da relatividade especial de Einstein; de acordo com a teoria de Einstein, não existe simultaneidade em dois pontos diferentes do espaço, portanto, não há tempo absoluto como no universo newtoniano. O universo Minkowski, como seu antecessor, contém uma classe distinta de referenciais inerciais, mas agora dimensões espaciais, massa , e as velocidades são todas relativas ao referencial inercial do observador, seguindo leis específicas inicialmente formuladas por H.A. Lorentz, e mais tarde formando as regras centrais da teoria de Einstein e sua interpretação de Minkowski. Apenas o velocidade da luz é o mesmo em todos os referenciais inerciais. Cada conjunto de coordenadas, ou evento particular de espaço-tempo, em tal universo é descrito como um aqui-agora ou um ponto mundial. Em todo referencial inercial, todas as leis físicas permanecem inalteradas.
De Einsteinteoria geral da relatividade(1916) novamente faz uso de um espaço-tempo quadridimensional, mas incorpora efeitos gravitacionais. A gravidade não é mais pensada como uma força, como no sistema newtoniano, mas como uma causa de uma deformação do espaço-tempo, efeito descrito explicitamente por um conjunto de equações formuladas por Einstein. O resultado é um espaço-tempo curvo, ao contrário do espaço-tempo plano de Minkowski, onde as trajetórias das partículas são linhas retas em um sistema de coordenadas inercial. No espaço-tempo curvo de Einstein, uma extensão direta da noção de espaço curvo de Riemann (1854), uma partícula segue uma linha de mundo, ou geodésica, de certa forma análogo à maneira como uma bola de bilhar em uma superfície empenada seguiria um caminho determinado pela deformação ou curvatura da superfície. Um dos princípios básicos da relatividade geral é que dentro de um contêiner seguindo uma geodésica do espaço-tempo, como um elevador em queda livre ou um satélite orbitando a Terra, o efeito seria o mesmo que uma ausência total de gravidade . Os caminhos de luz os raios também são geodésicas do espaço-tempo, de um tipo especial, chamado de geodésica nula. A velocidade da luz novamente tem a mesma velocidade constante c.
Tanto nas teorias de Newton quanto nas de Einstein, a rota das massas gravitacionais para os caminhos das partículas é bastante indireta. Na formulação newtoniana, as massas determinam a força gravitacional total em qualquer ponto, que pela terceira lei de Newton determina a aceleração da partícula. O caminho real, como na órbita de um planeta, é encontrado resolvendo uma equação diferencial. Na relatividade geral, deve-se resolver as equações de Einstein para uma determinada situação para determinar a estrutura correspondente do espaço-tempo e, em seguida, resolver um segundo conjunto de equações para encontrar o caminho de uma partícula. No entanto, por invocando Com o princípio geral de equivalência entre os efeitos da gravidade e da aceleração uniforme, Einstein foi capaz de deduzir certos efeitos, como o desvio da luz ao passar por um objeto massivo, como uma estrela.
A primeira solução exata das equações de Einstein, para uma única massa esférica, foi realizada por um astrônomo alemão, Karl Schwarzschild (1916). Para as chamadas massas pequenas, a solução não difere muito daquela proporcionada pela lei gravitacional de Newton, mas o suficiente para explicar o tamanho anteriormente inexplicado do avanço do periélio de Mercúrio. Para grandes massas, a solução de Schwarzschild prevê propriedades incomuns. As observações astronômicas de estrelas anãs levaram os físicos americanos J. Robert Oppenheimer e H. Snyder (1939) para postular estados superdensos da matéria. Estes e outros hipotético condições de colapso gravitacional foram confirmadas em descobertas posteriores de pulsares, estrelas de nêutrons e buracos negros.
Um artigo subsequente de Einstein (1917) aplica a teoria da relatividade geral à cosmologia e, de fato, representa o nascimento da cosmologia moderna. Nele, Einstein procura modelos de todo o universo que satisfaçam suas equações sob suposições adequadas sobre a estrutura em grande escala do universo, como sua homogeneidade, o que significa que o espaço-tempo parece o mesmo em qualquer parte que qualquer outra parte (o princípio cosmológico). Sob essas suposições, as soluções pareciam implicar que o espaço-tempo estava se expandindo ou se contraindo e, para construir um universo que não o fizesse, Einstein acrescentou um termo extra a suas equações, a chamada constante cosmológica. Quando a evidência observacional revelou mais tarde que o universo de fato parecia estar se expandindo, Einstein retirou essa sugestão. No entanto, uma análise mais detalhada da expansão do universo durante o final da década de 1990 mais uma vez levou os astrônomos a acreditar que uma constante cosmológica deveria de fato ser incluída nas equações de Einstein.
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