Espacio-tiempo

    En términos físicos, el espacio-tiempo se define como un modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un único conjunto continuo y entrelazado. La visión del espacio y el tiempo ha evolucionado de manera muy sustancial desde los periodos antiguos hasta la actualidad. En la actualidad, esta concepción se inspira en la formulación asociada a la teoría de la relatividad que propuso en 1905 el físico de origen alemán Albert Einstein.

    Históricamente, en la filosofía occidental el espacio y el tiempo se han considerado por lo general como entidades separadas e independientes. De acuerdo con la perspectiva establecida en la Grecia clásica y explicada en los tratados de Euclides, el espacio es un marco de referencia constituido por tres dimensiones: altura, anchura y profundidad. El tiempo, por su parte, se entiende como una entidad que avanza de forma constante e inexorable desde el pasado hacia el futuro. Estas nociones fueron asumidas por la ciencia occidental desde sus orígenes e incorporadas a los modelos teóricos que se propusieron hasta los inicios del siglo XX.

    Hasta la presentación en 1905 por Einstein de su teoría de la relatividad especial, la idea física de espacio y de tiempo se basaba en los desarrollos teóricos de Isaac Newton, con las tres leyes del movimiento (inercia, ley fundamental y acción-reacción) y la ley de la gravitación universal. Con independencia de su formulación matemática, lo que Newton defendía era la existencia de un sistema de referencia rígido e inalterado, a modo de un escenario espacial de tres dimensiones en el que discurren los fenómenos físicos. Estos sucesos tendrían así lugar en un marco referencial ajeno al devenir de los propios fenómenos y en el que el tiempo se interpretaba como un elemento también externo a los objetos que define el cambio observado en ellos.

    Estas nociones se ajustan bien al sentido común y la experiencia cotidiana. Todos manejamos los conceptos de alto, ancho y profundo cuando nos movemos por el espacio y, aunque resulta menos evidente, comprendemos el tiempo como una idea ligada al cambio, la evolución y el devenir. Desde la visión de la vida corriente, el espacio parece extenderse de manera estable en las tres dimensiones mencionadas. Para explorarlo se han construido dispositivos que miden las distancias y que se han expresado en multitud de unidades (en el Sistema Internacional, la unidad de longitud es el metro). El paso del tiempo se mide, a su vez, con ayuda de relojes, que son en realidad instrumentos que interpretan el devenir de acuerdo con los cambios que se producen en diversos dispositivos mecánicos, eléctricos, electrónicos, hidráulicos, etc. Actualmente, el tiempo se mide en segundos, con la elevadísima precisión que ofrecen los denominados relojes atómicos.

    En otro contexto, desde un punto de vista matemático no resulta extraño imaginar modelos de más de tres dimensiones espaciales. Se trata, en todo caso, de una concepción abstracta propia del álgebra, que resulta difícil de trasladar a las percepciones de la vida corriente. Sin embargo, desde los inicios del siglo XX esta visión matemática encontró una inesperada aplicación en el mundo de la física y la ciencia en general.

    En esta época, el francés Henri Poincaré y el alemán Hermann Minkowski se basaron en trabajos precedentes para proponer una visión conjunta del espacio euclídeo (en tres dimensiones) y el tiempo. Esta idea dio lugar al denominado espacio de Minkowski, de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal) que permite describir los fenómenos de forma completa e independiente. Tal idea se corresponde bien con la teoría de la relatividad de Einstein y con su propuesta del espacio-tiempo como un todo unido.

    En virtud del desarrollo de la teoría de Einstein, cuando dos sistemas físicos se desplazan uno con respecto a otro con velocidades del mismo orden, su descripción puede basarse en las percepciones de la realidad cotidiana. Ahora bien, si la diferencia entre sus velocidades es comparable a la velocidad de la luz (unos 300.000 kilómetros por segundo), un observador situado en uno de los sistemas empezaría a ver sucesos extraordinarios en el otro sistema: el espacio se contrae, el tiempo se dilata y la masa aumenta. De esta forma, tiempo y espacio pasan a entenderse como entes relativos cuya descripción depende de las velocidades que se manejen.

    Una década más tarde, Einstein propuso la segunda parte de su teoría de la relatividad, llamada esta vez general. En ella, el espacio-tiempo, además de entrelazado y subjetivo, actúa como un tejido continuo que se deforma ante la presencia de objetos masivos en su seno. De este modo, el espacio-tiempo que desde entonces pasó a considerar la física es tanto subjetivo como plástico y deformable.

    Según las conclusiones de la relatividad de Einstein, la masa y la energía son magnitudes intercambiables, y el tiempo y el espacio están entrelazados de forma indisoluble para formar un todo continuo que se deforma por la acción de la gravedad a gran escala. El hecho de que en la vida cotidiana no observemos estas equivalencias se debe a que los fenómenos que nos rodean y que estudiamos suceden en la escala humana habitual, muy lejos de la velocidad de la luz. En la escala cósmica, y también en el mundo de las partículas elementales, espacio y tiempo pierden su individualidad y se convierten en facetas indisociables y entrelazadas de una entidad única.

    Algunas de las hipótesis más avanzadas de la física complican aún más la concepción del espacio-tiempo. Así, la teoría de las cuerdas y la teoría M proponen un espacio-tiempo constituido por más de cuatro dimensiones. De las diez o incluso once dimensiones espacio-temporales que han llegado a sugerir los autores de estas hipótesis para lograr construir un modelo satisfactorio de descripción de la naturaleza, solamente las cuatro que conocemos se habrían “desplegado” y hecho perceptibles. Las restantes podrían estar compactadas, no desarrolladas, o bien ser inabarcablemente extensas como para ser captadas por los sentidos humanos o detectadas por los instrumentos de medición.