¿Cuál es la relación entre el tiempo y el espacio?
Es imposible separar el espacio y el tiempo. Donde hay espacio, hay tiempo. Albert Einstein propuso que era imposible separarlos, por lo que en realidad no eran dos entidades diferentes. Son todos iguales. Podrías llamarlo tiempo y espacio. Nosotros y todos los demás objetos existimos dentro de esta estructura espacio-temporal de cuatro dimensiones. El drama de nuestro universo tiene lugar dentro de este tejido de 4 dimensiones de espacio y tiempo entrelazados.
Consideremos un punto sin dimensiones. Pero si pudieras mover el punto de un punto a otro, formaría una línea recta unidimensional. Si doblas la línea, la línea se convierte en una curva. Una curva necesita una dimensión más para existir. Entonces automáticamente se convierte en un plano bidimensional. Una fina hoja de papel puede actuar como un avión. Ahora bien, si doblas un plano bidimensional, que aquí es el papel, se convierte en una forma tridimensional.
Del mismo modo, cuando distorsionas un espacio 3D, obtienes la 4ª dimensión. Un objeto en movimiento distorsiona el espacio que lo rodea y crea tiempo. Los humanos no podemos imaginar un modelo 4D de este tipo en nuestras mentes porque nuestros cerebros sólo pueden ver el mundo en 3D. Einstein se dio cuenta de que la cuarta dimensión es el tiempo. El tiempo es la cuarta dimensión del espacio.
El tiempo y el espacio no son estáticos. Puede doblarse, estirarse, corrugarse y doblarse. Podemos movernos "hacia adelante y hacia atrás", "izquierda y derecha" y "arriba y abajo" en esta estructura espacial. Podemos llamarlo tridimensional o 3D. La teoría de la relatividad especial de Einstein demostró que existe otra dimensión en el espacio en la que los objetos pueden moverse. Esta cuarta dimensión es el tiempo. Cada objeto parece moverse en la dimensión del tiempo hacia el futuro. Esta cuarta dimensión del tiempo se crea distorsionando las 3 dimensiones conocidas.
En el universo el tiempo no es fijo, sino que depende de lo rápido que te mueves. Cuanto más rápido te mueves, más lento experimentas el tiempo. El tiempo desaparece a la velocidad de la luz. Este concepto se llama dilatación del tiempo. Cuanto más rápido te mueves, más corta se vuelve tu longitud. A la velocidad de la luz, la longitud no existe. Esto se llama expansión de longitud. Asimismo, la masa aumenta cuanto más rápido te mueves. Cuando corres, pesas un poco más que cuando estás de pie. A la velocidad de la luz, tu masa se vuelve infinita. A esto se le llama expansión masiva. Pero en la Tierra, como nos movemos relativamente lento, esto no tiene un efecto dramático. Si viajáramos a velocidades muy altas, los efectos serían dramáticos.
Se podría pensar que la dilatación del tiempo es irreal. Desde que Einstein propuso esta idea se han realizado miles de experimentos. Todo el mundo ha demostrado que el tiempo, la longitud y la masa efectivamente se dilatan. Uno de los experimentos se llevó a cabo en 1971. El reloj atómico de cesio está sincronizado con el Observatorio Naval de Estados Unidos y orbita la Tierra dos veces en un avión a reacción. Cuando el avión regresó a la Tierra, se comparó con un reloj de referencia del Observatorio Naval de Estados Unidos. Un reloj en movimiento se diferencia de un reloj de referencia en las cantidades correctas predichas por la relatividad especial.
La estructura del espacio-tiempo proporciona una mejor explicación de la dilatación del tiempo. Imagínate que estás en un coche moviéndose hacia el Polo Norte. El camino más corto es ir hacia el norte en línea recta. Pero el camino que tomaste está un poco hacia el este. Aunque te mueves hacia el norte, también te mueves ligeramente hacia el este. Parte de vuestro poder se gasta en el este en lugar de concentrarse en el norte. Entonces, a medida que te mueves hacia el norte, también te mueves ligeramente hacia el este. Lo mismo ocurre con la dilatación del tiempo. Todos nos movemos a través del tejido del espacio-tiempo a la velocidad de la luz. Nada en el universo es estático. Todos ellos se mueven de alguna manera a la velocidad de la luz.
Si una persona está sentada quieta, en estado de reposo, entonces todo su impulso se gasta en la cuarta dimensión, que es el tiempo en dirección al futuro. Pero si quiere moverse, parte de su impulso se distribuirá a otras tres dimensiones, por lo que no todo su impulso se utilizará para avanzar hacia el futuro. Parte del impulso se distribuye a otras dimensiones para que no avancemos completamente hacia el futuro. Si te mueves a la velocidad de la luz, entonces debes moverte en cualquier dirección en el espacio tridimensional. Por lo tanto, todo vuestro impulso viaja en esa dimensión. Ninguna parte de su motivación se desperdiciará viajando hacia el futuro. Fue entonces cuando el tiempo se detuvo. Por eso se produce la dilatación del tiempo.
El concepto anterior se llama relatividad especial en física. Ésta es la piedra angular de la física clásica actual. A través de estas ideas, Einstein demostró que la teoría de la gravedad de Newton era fundamentalmente errónea y desafió toda la física de la época. Basándose en esto, Einstein propuso un nuevo modelo del universo en el que no existe la llamada gravedad. Esta es la relatividad general.
Un corolario de la relatividad especial es que la materia es sólo una forma concentrada de energía. La masa y la energía son intercambiables.
Para doblar el espacio se necesita algo de energía. Entonces, cualquier cosa con masa dobla el espacio. Incluso los objetos más pequeños pueden doblar suficiente espacio. Pero la curvatura es demasiado pequeña y no afecta al tiempo. Sin embargo, los objetos pesados como los planetas y las estrellas son muy masivos. Su presencia puede doblar más espacio y crear más tiempo. Por eso el tiempo se ralentiza cerca de objetos pesados. Por lo tanto, el tiempo en la superficie del Sol avanza más lentamente que el tiempo en la superficie de la Tierra. Cuanto más pesada es la masa, más lento pasa el tiempo. En la superficie de un agujero negro, la curvatura es tan grande que el tiempo casi se detiene. En un edificio de varios pisos, el tiempo pasa más rápido en los pisos superiores que en los inferiores. El tiempo pasa más rápido para los astronautas en el espacio. Él es tu futuro ahora.
La estructura curva del espacio-tiempo crea gravedad. Cuanto más masivo es un objeto, más gravedad tiene y más tiempo crea. La gravedad no es más que la forma del tejido del espacio-tiempo. No estamos pegados a la superficie de la Tierra porque la Tierra nos esté atrayendo hacia sí misma. Esto se debe a que el espacio alrededor de la Tierra está formado de tal manera que te empuja hacia la Tierra. La Tierra no gira alrededor del Sol, como dijo antes Newton, porque existe una atracción mutua entre ellos. Debido a la presencia del sol, la Tierra se mueve siguiendo una curva en el espacio.
Así que la gravedad, la masa, la longitud, el espacio y el tiempo están todos entrelazados. Según la relatividad general, son entidades inseparables en el universo. De hecho, no existe la gravedad. Esto es sólo una ilusión causada por la curvatura del espacio y el tiempo. Incluso hoy en día, no existe ninguna teoría en física que pueda desafiar la teoría de Einstein. Todos los experimentos demuestran que este modelo es correcto. Ésta es la base para comprender el universo.
Ahora hemos realizado varios experimentos para demostrar e incluso medir la curvatura del espacio debido a la presencia de objetos de gran tamaño. Uno de ellos es un satélite llamado Gravity Probe-B, que mide cuánto curva la Tierra el espacio. La distorsión del espacio por parte de la Tierra es muy pequeña. Para el equipo de la NASA que construyó Gravity Probe b, medir este pequeño giro en el espacio fue un gran desafío. Fue lanzado en 2004 y, después de más de cuatro años de mediciones, midió que la Tierra se está curvando en la medida exacta predicha por la teoría general de la relatividad de Einstein. Demostró la existencia del espacio curvo de la Tierra.