Espaço e tempo absolutos - Absolute space and time

Espaço e tempo absolutos é um conceito em física e filosofia sobre as propriedades do universo. Na física, o espaço e o tempo absolutos podem ser um quadro preferido .

Antes de Newton

Uma versão do conceito de espaço absoluto (no sentido de uma moldura preferida ) pode ser vista na física aristotélica . Robert S. Westman escreve que um "cheiro" do espaço absoluto pode ser observado na Copernicus 's De Revolutionibus Orbium Coelestium , onde Copernicus utiliza o conceito de uma esfera imóvel de estrelas.

Newton

Originalmente introduzidos por Sir Isaac Newton em Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , os conceitos de tempo e espaço absolutos forneceram uma base teórica que facilitou a mecânica newtoniana . De acordo com Newton, o tempo e o espaço absolutos, respectivamente, são aspectos independentes da realidade objetiva:

O tempo absoluto, verdadeiro e matemático, por si mesmo e de sua própria natureza flui uniformemente, sem consideração a nada externo, e por outro nome é chamado de duração: o tempo relativo, aparente e comum, é alguma medida sensível e externa (seja precisa ou desigual) de duração por meio de movimento, que é comumente usado em vez do tempo real ...

De acordo com Newton, o tempo absoluto existe independentemente de qualquer observador e progride em um ritmo consistente em todo o universo. Ao contrário do tempo relativo, Newton acreditava que o tempo absoluto era imperceptível e só podia ser entendido matematicamente. De acordo com Newton, os humanos só são capazes de perceber o tempo relativo, que é uma medida de objetos perceptíveis em movimento (como a Lua ou o Sol). A partir desses movimentos, inferimos a passagem do tempo.

O espaço absoluto, em sua própria natureza, independentemente de qualquer coisa externa, permanece sempre semelhante e imóvel. O espaço relativo é alguma dimensão ou medida móvel dos espaços absolutos; que nossos sentidos determinam por sua posição em relação aos corpos: e que é vulgarmente tomado por espaço imóvel ... O movimento absoluto é a translação de um corpo de um lugar absoluto para outro: e o movimento relativo, a translação de um lugar relativo para outro. .

-  Isaac Newton

Essas noções implicam que o espaço e o tempo absolutos não dependem de eventos físicos, mas são um pano de fundo ou cenário dentro do qual ocorrem os fenômenos físicos. Assim, todo objeto tem um estado de movimento absoluto em relação ao espaço absoluto, de modo que um objeto deve estar em estado de repouso absoluto ou se movendo a alguma velocidade absoluta . Para apoiar seus pontos de vista, Newton forneceu alguns exemplos empíricos: de acordo com Newton, uma esfera giratória solitária pode ser inferida para girar em torno de seu eixo em relação ao espaço absoluto, observando a protuberância de seu equador, e um par solitário de esferas amarradas por uma corda pode ser inferido estar em rotação absoluta em torno de seu centro de gravidade ( baricentro ), observando a tensão na corda.

Pontos de vista diferentes

Duas esferas orbitando em torno de um eixo. As esferas estão distantes o suficiente para que seus efeitos umas sobre as outras sejam ignorados, e elas são mantidas juntas por uma corda. Se a corda está sob tensão, é porque os corpos estão girando em relação ao espaço absoluto de acordo com Newton , ou porque eles giram em relação ao próprio universo de acordo com Mach , ou porque eles giram em relação às geodésicas locais de acordo com a relatividade geral .

Historicamente, existem visões diferentes sobre o conceito de espaço e tempo absolutos. Gottfried Leibniz era da opinião de que o espaço não fazia sentido, exceto como a localização relativa dos corpos, e o tempo não fazia sentido, exceto como o movimento relativo dos corpos. George Berkeley sugeriu que, sem qualquer ponto de referência, uma esfera em um universo vazio não poderia ser concebida para girar, e um par de esferas poderia ser concebido para girar em relação ao outro, mas não para girar em torno de seu centro de gravidade, um exemplo levantado posteriormente por Albert Einstein em seu desenvolvimento da relatividade geral.

Uma forma mais recente dessas objeções foi feita por Ernst Mach . O princípio de Mach propõe que a mecânica é inteiramente sobre o movimento relativo dos corpos e, em particular, a massa é uma expressão desse movimento relativo. Assim, por exemplo, uma única partícula em um universo sem outros corpos teria massa zero. De acordo com Mach, os exemplos de Newton simplesmente ilustram a rotação relativa das esferas e a maior parte do universo.

Quando, portanto, dizemos que um corpo preserva inalteradas sua direção e velocidade no espaço , nossa afirmação é nada mais nada menos do que uma referência abreviada a todo o universo .
—Ernst Mach; como citado por Ciufolini e Wheeler : Gravitation and Inertia , p. 387

Essas visões que se opõem a espaço e tempo absolutos podem ser vistas a partir de uma postura moderna como uma tentativa de introduzir definições operacionais para espaço e tempo, uma perspectiva explicitada na teoria da relatividade especial.

Mesmo dentro do contexto da mecânica newtoniana, a visão moderna é que o espaço absoluto é desnecessário. Em vez disso, a noção de quadro de referência inercial teve precedência, isto é, um conjunto preferido de quadros de referência que se movem uniformemente um em relação ao outro. As leis da física se transformam de um referencial inercial para outro de acordo com a relatividade galileana , levando às seguintes objeções ao espaço absoluto, conforme descrito por Milutin Blagojević:

  • A existência de espaço absoluto contradiz a lógica interna da mecânica clássica, uma vez que, de acordo com o princípio da relatividade de Galileu, nenhum dos referenciais inerciais pode ser destacado.
  • O espaço absoluto não explica as forças inerciais, uma vez que estão relacionadas à aceleração em relação a qualquer um dos referenciais inerciais.
  • O espaço absoluto age sobre os objetos físicos induzindo sua resistência à aceleração, mas não pode ser acionado.

O próprio Newton reconheceu o papel das estruturas inerciais.

Os movimentos dos corpos incluídos em um determinado espaço são iguais entre si, esteja esse espaço em repouso ou avance uniformemente em linha reta.

Como uma questão prática, os referenciais inerciais geralmente são considerados como aqueles que se movem uniformemente em relação às estrelas fixas . Veja Quadro de referência inercial para mais discussão sobre isso.

Definições matemáticas

O espaço , como entendido na mecânica newtoniana , é tridimensional e euclidiano , com uma orientação fixa . É denotado como E 3 . Se algum ponto O em E 3 é fixo e definido como uma origem , a posição de qualquer ponto P em E 3 é determinada exclusivamente por seu vetor de raio (a origem deste vetor coincide com o ponto O e sua extremidade coincide com o ponto P ) O espaço vetorial linear tridimensional R 3 é um conjunto de todos os vetores de raio. O espaço R 3 é dotado de um produto escalar ⟨,⟩.

O tempo é um escalar que é o mesmo em todo o espaço E 3 e é denotado como t . O conjunto ordenado { t } é chamado de eixo do tempo.

O movimento (também caminho ou trajetória ) é uma função r  : Δ → R 3 que mapeia um ponto no intervalo Δ do eixo do tempo para uma posição (vetor de raio) em R 3 .

Os quatro conceitos acima são os objetos "bem conhecidos" mencionados por Isaac Newton em seu Principia :

Não defino tempo, espaço, lugar e movimento como sendo bem conhecidos de todos.

Relatividade especial

Os conceitos de espaço e tempo eram separados na teoria física antes do advento da teoria da relatividade especial , que conectou os dois e mostrou que ambos eram dependentes do movimento do referencial. Nas teorias de Einstein, as idéias de tempo e espaço absolutos foram substituídas pela noção de espaço-tempo na relatividade especial e espaço-tempo curvo na relatividade geral .

Simultaneidade absoluta se refere à simultaneidade de eventos no tempo em diferentes locais no espaço de uma maneira acordada em todos os quadros de referência. A teoria da relatividade não possui um conceito de tempo absoluto porque existe uma relatividade da simultaneidade . Um evento que é simultâneo com outro evento em um quadro de referência pode estar no passado ou no futuro desse evento em um quadro de referência diferente, o que nega a simultaneidade absoluta.

Einstein

Citado abaixo em seus últimos trabalhos, Einstein identificou o termo éter com "propriedades do espaço", uma terminologia que não é amplamente usada. Einstein afirmou que na relatividade geral o "éter" não é mais absoluto, pois o geodésico e, portanto, a estrutura do espaço-tempo depende da presença de matéria.

Negar o éter é, em última análise, supor que o espaço vazio não possui quaisquer qualidades físicas. Os fatos fundamentais da mecânica não se harmonizam com essa visão. Pois o comportamento mecânico de um sistema corpóreo flutuando livremente no espaço vazio depende não apenas de posições relativas (distâncias) e velocidades relativas, mas também de seu estado de rotação, que fisicamente pode ser tomado como uma característica não pertencente ao sistema em si. Para poder ver a rotação do sistema, pelo menos formalmente, como algo real, Newton objetiva o espaço. Já que ele classifica seu espaço absoluto junto com as coisas reais, para ele a rotação em relação a um espaço absoluto também é algo real. Newton também poderia ter chamado seu espaço absoluto de “Éter”; o que é essencial é apenas que, além dos objetos observáveis, outra coisa, que não é perceptível, deve ser considerada real, para permitir que a aceleração ou a rotação sejam vistas como algo real.

-  Albert Einstein, Ether and the Theory of Relativity (1920)

Como não era mais possível falar, em nenhum sentido absoluto, de estados simultâneos em diferentes localizações do éter, o éter tornou-se, por assim dizer, quadridimensional, uma vez que não havia uma maneira objetiva de ordenar seus estados apenas pelo tempo. Também de acordo com a relatividade especial, o éter era absoluto, uma vez que sua influência na inércia e na propagação da luz era considerada independente da influência física ... A teoria da relatividade resolveu este problema estabelecendo o comportamento do eletricamente neutro ponto-massa pela lei da linha geodésica, segundo a qual os efeitos inerciais e gravitacionais não são mais considerados separados. Ao fazê-lo, atribui características ao éter que variam de ponto a ponto, determinando a métrica e o comportamento dinâmico dos pontos materiais, e determinada, por sua vez, por fatores físicos, nomeadamente a distribuição de massa / energia. Assim, o éter da relatividade geral difere daqueles da mecânica clássica e da relatividade especial por não ser "absoluto", mas determinado, em suas características localmente variáveis, por matéria ponderável.

-  Albert Einstein, Über den Äther (1924)

Relatividade geral

A relatividade especial elimina o tempo absoluto (embora Gödel e outros suspeitem que o tempo absoluto possa ser válido para algumas formas de relatividade geral) e a relatividade geral reduz ainda mais o escopo físico do espaço e tempo absolutos por meio do conceito de geodésica . Parece haver espaço absoluto em relação às estrelas distantes porque as geodésicas locais eventualmente canalizam as informações dessas estrelas, mas não é necessário invocar o espaço absoluto com respeito à física de qualquer sistema, pois suas geodésicas locais são suficientes para descrever seu espaço-tempo.

Veja também

Referências e notas