Espacio (física)
El espacio es la entidad indefinida e ilimitada que contiene todas las cosas materiales . Estos, al tener una extensión, ocupan una parte del mismo y asumen una posición en el espacio, que se define cuantitativamente según los principios de la geometría , y cualitativamente, en base a relaciones de proximidad (distancia) y tamaño (pequeñez). [1]
Se cree que el espacio físico real es tridimensional , aunque en la física moderna este espacio tridimensional se considera parte de un continuo de cuatro dimensiones llamado espacio-tiempo , que también incluye el tiempo . En matemáticas, pueden definirse como " espacios " con un número de dimensiones incluso superior a cuatro, y con estructuras subyacentes complejas. Las observaciones experimentales hasta ahora confirman la hipótesis de un espacio tridimensional hasta dimensiones subatómicas. La física de altas energías , y en particular los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , buscan posibles manifestaciones de extradimensiones en escalas subatómicas [2] .
El concepto de espacio se considera de fundamental importancia para la comprensión del universo físico. Sin embargo, existe un desacuerdo continuo entre los filósofos sobre si es en sí mismo una entidad, una relación entre entidades o parte de un marco conceptual.
Fondo
Los debates sobre la naturaleza, esencia y modo de existencia del espacio se remontan a la antigüedad; a saber, tratados como el Timeo Platón , o las reflexiones de Sócrates sobre lo que los griegos llamaban khora (es decir, "espacio"), o la Física Aristóteles (Libro V, Delta) en la definición de topos (es decir, ubicación), o incluso el posterior "concepción geométrica del lugar" como "espacio en cuanto extensión" en el Discurso sobre el lugar ( Qawl fi al-Makan ), del erudito árabe del siglo XI Alhazen . [3] Muchas de estas cuestiones filosóficas clásicas se discutieron en el Renacimiento y luego se reformularon en el siglo XVII , particularmente durante el desarrollo temprano de la mecánica clásica . En opinión de Isaac Newton , el espacio era absoluto, en el sentido de que existía de forma permanente e independientemente de si había materia o no. [4]
Otros filósofos de la naturaleza , en particular Gottfried Leibniz , pensaron en cambio que el espacio era en realidad un conjunto de relaciones entre objetos, dadas por sus distancias y direcciones mutuas. En el siglo XVIII , el filósofo y teólogo George Berkeley intentó refutar la "visibilidad de la profundidad espacial" en su ensayo Towards a New Theory of Vision . Posteriormente, el metafísico Immanuel Kant afirmó que ni el espacio ni el tiempo pueden ser percibidos empíricamente: son elementos de un marco sistemático que los humanos utilizan para estructurar todas las experiencias. Kant definió el "espacio" en su Crítica de la razón pura como una "forma pura y subjetiva de la intuición a priori ", por lo tanto, como una contribución esencial de nuestras facultades humanas.
En los siglos XIX y XX , los matemáticos comenzaron a examinar geometrías no euclidianas , en las que el espacio puede describirse como curvo en lugar de plano . Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein , el espacio inmerso en campos gravitacionales se desvía del espacio euclidiano . [5] Las pruebas experimentales de relatividad general han confirmado que el espacio no euclidiano proporciona un mejor modelo para la forma del espacio.
Espacio en filosofía
Leibniz y Newton
En el siglo XVII, la filosofía del espacio y el tiempo surgió como un tema central en epistemología y metafísica . En esencia, Gottfried Leibniz , el filósofo matemático alemán, e Isaac Newton , el físico matemático inglés, formularon dos teorías opuestas sobre lo que es el espacio. En lugar de ser una entidad que existe independientemente debajo y más allá de la materia , Leibniz creía que el espacio no era más que el conjunto de relaciones espaciales entre objetos en el mundo: "el espacio es lo que resulta de lugares tomados en conjunto". [6] Las regiones desocupadas son aquellas que pueden tener objetos en ellas y, por lo tanto, relaciones espaciales con otros lugares. Para Leibniz, por tanto, el espacio era una abstracción idealizada de las relaciones entre sujetos individuales o entre sus posibles posiciones y, por tanto, no podía ser continuo , sino que tenía que ser discreto . [7] El espacio podría pensarse de manera similar a las relaciones entre miembros de la familia. Aunque las personas de la familia están relacionadas entre sí, las relaciones no existen independientemente de las personas. [8] Leibniz argumentó que el espacio no puede existir independientemente de los objetos en el mundo, porque esto implicaría una diferencia entre dos universos exactamente iguales, debido a la diferencia en la posición del mundo material en cada universo. Pero como no habría una forma observacional de distinguir estos universos, de acuerdo con la identidad de los indiscernibles no habría diferencia entre ellos. De acuerdo con el principio de razón suficiente , cualquier teoría del espacio que involucre más de un universo posible debe ser errónea. [9]
Newton toma el espacio como algo más que un conjunto de relaciones entre objetos materiales y basa su posición en la observación y la experimentación . Para un relacionalista no puede haber una diferencia real entre el movimiento inercial , en el que un objeto viaja con velocidad constante, y el movimiento no inercial , en el que la velocidad cambia con el tiempo, ya que todas las medidas espaciales son relativas a otros objetos y a sus movimientos. Pero Newton argumentó que dado que el movimiento no inercial genera fuerzas , el espacio debe ser absoluto. [10] Newton usó el ejemplo del agua en un balde giratorio para probar su punto. Un cubo que contiene agua se cuelga de una cuerda y se hace girar; el agua tiene inicialmente una superficie plana. Después de un tiempo, mientras el balde continúa girando, la superficie del agua se vuelve cóncava. Si se detiene la rotación del balde, la superficie del agua permanece cóncava y continúa girando. Por tanto, la superficie cóncava no es aparentemente el resultado del movimiento relativo entre el cubo y el agua. [11] En cambio, argumentó Newton, debe ser el resultado de un movimiento no inercial relativo al espacio mismo. Durante muchos siglos, el argumento del cubo ha sido una demostración decisiva de que el espacio debe existir independientemente de la materia.
Kant
En el siglo XVIII, el filósofo alemán Immanuel Kant desarrolló una teoría del conocimiento , en la que el conocimiento del espacio puede ser tanto a priori como sintético al mismo tiempo. [12] Según Kant, el conocimiento del espacio es sintético , en el sentido de que las afirmaciones sobre el espacio simplemente no son verdaderas en virtud del significado de sus palabras. En su trabajo, Kant rechaza la idea de que el espacio debe ser una sustancia o una relación. En cambio, llega a la conclusión de que los seres humanos no descubren el espacio y el tiempo como características objetivas del mundo, sino que forman parte de un marco sistemático esencial para organizar nuestras experiencias. [13]
Geometrías no euclidianas y su influencia
Los Elementos de Euclides contienen cinco postulados que forman la base de la geometría euclidiana . Uno de ellos, el postulado de las paralelas, ha sido objeto de debate entre los matemáticos durante siglos. Establece que en todo plano en el que hay una línea recta L 1 y un punto P que no está en L 1 , solo hay una línea recta L 2 en el plano que pasa por el punto P y paralela a la línea recta L 1 . Hasta el siglo XIX, pocos dudaron de la verdad del postulantado; en cambio, el debate se centró en si era necesario como axioma o si era una teoría que podía derivarse de otros axiomas. [14] Alrededor de 1830, sin embargo, el húngaro János Bolyai y el ruso Nikolai Ivanovich Lobachevsky publicaron por separado tratados sobre un tipo de geometría que no incluye el postulado paralelo, llamado geometría hiperbólica . En esta geometría, un número infinito de líneas paralelas pasan por un punto P. En consecuencia, la suma de los ángulos de un triángulo es menor de 180 ° y la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro es mayor que pi . En 1850, Bernhard Riemann desarrolló una teoría equivalente, la geometría elíptica , en la que ninguna línea paralela pasa por P. En esta geometría, la suma de los ángulos dentro de un triángulo es más de 180 ° y los círculos tienen una relación entre la circunferencia y el diámetro menor que pi.
| Tipo de geometría | Numero de paralelos | Suma de los ángulos de un triángulo | Relación entre la circunferencia y el diámetro en un círculo. | Curvatura |
|---|---|---|---|---|
| Hiperbólico | infinito | <180 ° | > π | <0 |
| Euclidiana | 1 | 180 ° | π | 0 |
| Elíptico | 0 | > 180 ° | <π | > 0 |
Gauss y Poincaré
Aunque había un consenso predominante sobre la visión kantiana en ese momento, una vez que se formalizaron las geometrías no euclidianas, algunos comenzaron a cuestionar si el espacio físico era curvo. Carl Friedrich Gauss , un matemático alemán, fue el primero en considerar una investigación empírica de la estructura geométrica del espacio. Planeaba hacer una prueba sobre la suma de los ángulos de un enorme triángulo estelar y hay informes de que en realidad hizo una prueba de triangulación a pequeña escala en las cimas de las montañas en Alemania. [15]
Henri Poincaré , un matemático y físico francés de finales del siglo XIX, presentó una importante descripción general en la que intentó demostrar la inutilidad de cualquier intento de descubrir a través de la experimentación si la geometría se aplica al espacio. [16] Consideró la difícil situación a la que se enfrentarían los científicos si estuvieran confinados a la superficie de una gran esfera imaginaria con propiedades particulares, conocida como esfera-mundo . En este mundo se supone que la temperatura varía de tal manera que todos los objetos se expanden y contraen en proporciones similares en diferentes lugares de la esfera. Con una disminución adecuada de la temperatura, si los científicos intentan utilizar varillas de medición para determinar la suma de los ángulos interiores de un triángulo, pueden engañarse pensando que habitan un plano en lugar de una superficie esférica. [17] De hecho, los científicos no pueden, en principio, determinar si habitan un plano o una esfera y, argumentó Poincaré, lo mismo ocurre con el debate sobre si el espacio real es euclidiano o no. Para él, qué geometría se utiliza para describir el espacio es una cuestión de convención. [18] Dado que la geometría euclidiana es más simple que la geometría no euclidiana, asumió que la primera siempre se usaría para describir la geometría "verdadera" del mundo. [19]
Einstein
En 1905, Albert Einstein publicó un artículo sobre una teoría especial de la relatividad , en el que propuso que el espacio y el tiempo se combinan en una única construcción conocida como espacio-tiempo . En esta teoría, la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, lo que implica que dos eventos simultáneos para un observador particular no serán simultáneos para otro observador que se mueva en relación con el primero. Además, un observador medirá un tic más lento para un reloj en movimiento que para otro reloj parado que el propio observador; los objetos también se medirán como más cortos en la dirección en que se mueven que el observador.
Durante los siguientes diez años, Einstein trabajó en una teoría de la relatividad general , que es una teoría de cómo interactúa la gravedad con el espacio-tiempo. En lugar de considerar la gravedad como un campo de fuerza que actúa en el espacio-tiempo, Einstein sugirió que se trataba de una modificación de la estructura geométrica del propio espacio-tiempo. [20] Según la teoría general, el tiempo pasa más lento en lugares con menores potenciales gravitacionales y los rayos de luz se curvan en presencia de un campo gravitacional. Los científicos han estudiado el comportamiento de los púlsares binarios confirmando las predicciones de las teorías de Einstein, y la geometría no euclidiana se usa generalmente para describir el espacio-tiempo.
El tratamiento fisico
En mecánica clásica
El espacio es una de las pocas cantidades fundamentales de la física , lo que significa que no puede ser definido por otras cantidades, porque no se conoce nada más fundamental en este momento. Sin embargo, al igual que otras cantidades fundamentales (como el tiempo y la masa ), el espacio se puede explorar mediante la medición y la experimentación, y se puede relacionar con otras cantidades fundamentales.
En relatividad
Antes de Einstein trabajo 's en la física relativista, el tiempo y el espacio eran vistos como dimensiones independientes. Los descubrimientos de Einstein mostraron que, debido a la relatividad del movimiento, nuestro espacio y tiempo pueden combinarse matemáticamente en un solo objeto, el espacio-tiempo . Las distancias en el espacio o las distancias en el tiempo , consideradas por separado, no son invariantes con respecto a las transformaciones de coordenadas de Lorentz , pero las distancias en el espacio-tiempo de Minkowski sí lo son.
Las dimensiones del espacio y el tiempo no deberían considerarse exactamente equivalentes en el espacio-tiempo de Minkowski. Puedes moverte libremente en el espacio pero no en el tiempo. Por lo tanto, las coordenadas de tiempo y espacio se tratan de manera diferente, tanto en la relatividad especial (donde el tiempo a veces se considera una coordenada imaginaria ) como en la relatividad general (donde se asignan diferentes signos a los componentes temporales y espaciales de la métrica del espacio-tiempo ).
En la teoría de la relatividad general de Einstein, se plantea la hipótesis de que el espacio-tiempo está distorsionado geométricamente ( curvado ) cerca de masas gravitacionalmente significativas. [21]
Una consecuencia, que resulta de las ecuaciones de la relatividad general, de este postulado, es la predicción del desplazamiento de ondas espacio-temporales llamadas ondas gravitacionales . Si bien se ha encontrado evidencia indirecta de estas ondas (en los movimientos del sistema binario Hulse-Taylor , por ejemplo), se están realizando experimentos que intentan medir estas ondas directamente.
En cosmología
La teoría de la relatividad conduce a preguntas cosmológicas sobre cuál es la forma del universo y de dónde vino el espacio. Parece que el espacio se creó en el Big Bang hace unos 13.800 millones de años [22] y se ha estado expandiendo desde entonces. Se desconoce la forma general del espacio, pero se sabe que se está expandiendo muy rápidamente .
La medida del espacio
Medir el espacio físico ha sido un tema importante durante mucho tiempo. Aunque las empresas anteriores habían desarrollado sus propios sistemas de medición, el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el sistema de unidades más común utilizado en la medición espacial en la actualidad, y se usa casi universalmente.
Actualmente, el intervalo espacial estándar, llamado metro estándar o simplemente metro , se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo exactamente igual a 1/299 792 458 segundos . Esta definición, junto con la definición actual de un segundo, se basa en la teoría especial de la relatividad en la que la velocidad de la luz juega el papel de una constante fundamental de la naturaleza.
Espacio en geografía y como posesión
La geografía es la rama de la ciencia que se ocupa de describir la Tierra , utilizando la conciencia espacial para intentar comprender por qué existen las cosas en lugares específicos. La cartografía es el mapeo de espacios para permitir una mejor navegación, con fines de visualización y actúa como una herramienta de ubicación. La geoestadística aplica conceptos estadísticos sobre datos espaciales recopilados para crear una evaluación de fenómenos no observables.
El espacio geográfico a menudo se considera tierra y puede tener una relación con el uso de la propiedad (donde el espacio se considera propiedad o tierra). Si bien algunas culturas afirman los derechos personales en términos de propiedad, otras culturas se identifican con un enfoque de propiedad común de la tierra, mientras que otras culturas, como los aborígenes australianos , en lugar de hacer cumplir los derechos de propiedad de la tierra, invierten la relación y creen que en realidad son propiedad de la tierra. La planificación espacial es un método para regular el uso del espacio a nivel de la tierra, con decisiones tomadas a nivel regional, nacional e internacional. El espacio también puede tener un impacto en el comportamiento humano y cultural, siendo un factor importante en la arquitectura , donde tendrá un impacto en el diseño de edificios y estructuras, y en la agricultura .
La propiedad del espacio no se limita a la tierra. La propiedad del espacio aéreo y del agua se decide a nivel internacional. Recientemente se han establecido otras formas de propiedad del espacio en otras áreas, por ejemplo para las bandas de radio del espectro electromagnético o para el ciberespacio .
El espacio público es un término que se utiliza para definir áreas de tierra que son propiedad colectiva de la comunidad y son administradas en su nombre por los órganos delegados; tales espacios están abiertos a todos, mientras que la propiedad privada es tierra de propiedad cultural de un individuo o empresa para su propio uso y placer.
El espacio abstracto es un término utilizado en geografía para indicar un espacio hipotético caracterizado por una completa homogeneidad. Al modelar actividades o comportamientos, es una herramienta conceptual que se utiliza para limitar variables extrañas como el terreno.
Espacio en psicología
Los psicólogos comenzaron a estudiar cómo se percibe el espacio a mediados del siglo XIX. Aquellos que ahora se dedican a tales estudios lo consideran una rama distinta de la psicología . Los psicólogos que analizan la percepción del espacio se preocupan por cómo se percibe el reconocimiento de la apariencia física de un objeto o sus interacciones, ver, por ejemplo, el espacio visual .
Otros temas estudiados más especializados incluyen la percepción amodal y la permanencia del objeto . La percepción del medio ambiente es importante por su necesaria relevancia para la supervivencia, especialmente en lo que respecta a la caza y la autoconservación, así como simplemente a la idea que uno tiene del espacio personal .
Se han identificado varias fobias relacionadas con el espacio, incluida la agorafobia (miedo a los espacios abiertos), la astrofobia (miedo al espacio celeste) y la claustrofobia (miedo a los espacios cerrados).
Nota
- ^ Espacio archivado el 23 de julio de 2015 en Internet Archive . en la enciclopedia en línea Treccani.it .
- ^ Ver, por ejemplo: Búsqueda de materia oscura y grandes dimensiones extra en eventos monojet en colisiones pp a √s = 7 TeV , CMS Collaboration, JHEP 09 (2012) 094 , doi: 10.1007 / JHEP09 (2012) 094 .
- ↑ Ver la referencia en Timeo de Platón y sus consideraciones sobre khora. Véase también Física de Aristóteles, Libro IV, Capítulo 5, sobre la definición de topos . Respecto a la concepción de Ibn al-Haytham (siglo XI) del "lugar geométrico" o "extensión espacial", que es similar a las nociones de extensio y análisis situs desarrolladas por Descartes y Leibniz en el siglo XVII y su refutación matemática de la definición aristotélica de topos en la filosofía natural, ver: Nader El-Bizri, "En defensa de la soberanía de la filosofía: Crítica de al-Baghdadi de la geometrización del lugar de Ibn al-Haytham", Ciencias y filosofía árabes: una revista histórica , vol. 17 (2007 ), págs. 57-80.
- ^ AJFrench & MG Ebison, Introducción a la mecánica clásica , Dodrecht, Springe, 1986, p. 1.
- ^ Rudolf Carnap, Introducción a la filosofía de la ciencia , Nueva York, Dove, 1995 (edición original: Fundamentos filosóficos de la física , Nueva York, Libros básicos, 1966).
- ^ Leibniz, Quinta carta a Samuel Clarke, en HG Alexander (ed.), The Leibniz-Clarke Correspondence , Manchester, Manchester University Press, 1956, págs. 55-96.
- ^ Ezio Vailati, Leibniz & Clarke: Un estudio de su correspondencia , Nueva York, Oxford University Press, 1997, p. 115.
- ^ Lawrence Sklar, Filosofía de la física , Boulder, Westview Press, 1992, p. 20.
- ^ L. Sklar, Filosofía de la física , p. 21
- ^ L. Sklar, Filosofía de la física , p. 22
- ^ Cubo de Newton
- ^ R. Carnap, Introducción a la filosofía de la ciencia , p. 177-178.
- ^ John Randolph Lucas , Espacio, tiempo y causalidad , p. 149, ISBN 0-19-875057-9 .
- ^ R. Carnap, Introducción a la filosofía de la ciencia , p. 126
- ^ R. Carnap, Introducción a la filosofía de la ciencia , p. 134-136
- ^ Max Jammer, Conceptos de espacio. The History of Theories of Space in Physics , Cambridge, Harvard University Press, 1954, pág. 165
- ^ Un medio con un índice de refracción variable también podría usarse para doblar el camino de la luz y engañar nuevamente a los científicos si intentan usar la luz para trazar la geometría.
- ^ R. Carnap, Introducción a la filosofía de la ciencia , p. 148
- ^ L. Sklar, Filosofía de la física , p. 57
- ^ L. Sklar, Filosofía de la física , p. 43
- ^ John A. Wheeler "Un viaje hacia la gravedad y el espacio-tiempo" Scientific American , capítulos 8 y 9 ISBN 0-7167-6034-7
- ^ Cosmic Detectives , en esa.int , The European Space Agency (ESA), 2 de abril de 2013. Consultado el 26 de abril de 2013 .
Bibliografía
- Brian Greene, La trama del cosmos , Einaudi, 2004, Turín ISBN 88-06-16962-9
- Delfina Giovannozzi & Marco Veneziani (editado por), Locus-Spatium . XIV Coloquio Internacional del Léxico Intelectual Europeo, (Roma, 3-5 de enero de 2013), Florencia, Olschki, 2014.
Otros proyectos
-
Wikiquote contiene citas sobre el espacio -
Wikcionario contiene el lema del diccionario " espacio ". -
Wikimedia Commons contiene imágenes u otros archivos sobre el espacio
enlaces externos
- Space , en Diccionario de Filosofía ,Instituto de la Enciclopedia Italiana , 2009.
- ( EN ) Space , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) Espacio en la Enciclopedia Católica , Robert Appleton Company.
| Control de autoridad | NDL ( EN , JA ) 00574722 |
|---|
