Espacio
Definición
El espacio es la extensión ilimitada tridimensional en la que los objetos y eventos tienen una posición y dirección relativa. El espacio físico a menudo se concibe en tres dimensiones lineales, aunque los físicos modernos suelen considerarlo, con el tiempo, como parte de un continuo tetradimensional sin límites conocido como espacio-tiempo. El concepto de espacio se considera de importancia fundamental para la comprensión del universo físico. Sin embargo, el desacuerdo continúa entre los filósofos sobre si él mismo es una entidad, una relación entre entidades o parte de un marco conceptual.
Los debates sobre la naturaleza, la esencia y el modo de existencia del espacio se remontan a la antigüedad; a saber, a tratados como el Timeo de Platón o Sócrates en sus reflexiones sobre lo que los griegos llamaron khôra (es decir, "espacio"), o en la Física de Aristóteles (Libro IV, Delta) en la definición de topos (es decir, lugar), o en la posterior "concepción geométrica del lugar" como "espacio qua extensión" en el Discurso sobre el lugar ( Qawl fi al-Makan)) del polímata árabe Alhazen del siglo XI. Muchas de estas cuestiones filosóficas clásicas fueron discutidas en el Renacimiento y luego reformuladas 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 alguna materia en el espacio. Otros filósofos naturales, notablemente Gottfried Leibniz, pensaban, en cambio, que el espacio era, de hecho, una colección de relaciones entre objetos, dada por su distancia y dirección el uno del otro. En el siglo XVIII, el filósofo y teólogo George Berkeley intentó refutar la "visibilidad de la profundidad espacial" en su Ensayo hacia una nueva teoría de la visión. Más tarde, el metafísico Immanuel Kant dijo que los conceptos de espacio y tiempo no son empíricos derivados de las experiencias del mundo exterior: son elementos de un marco sistemático ya existente que los humanos poseen y usan para estructurar todas las experiencias. Kant se refirió a la experiencia del "espacio" en su Crítica de la razón pura como una " forma de intuición pura a priori " subjetiva .
En los siglos XIX y XX, los matemáticos comenzaron a examinar las geometrías que no son euclidianas, en las que el espacio se concibe como curvo , en lugar de plano . Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, el espacio alrededor de los campos gravitacionales se desvía del espacio euclidiano. Las pruebas experimentales de relatividad general han confirmado que las geometrías no euclidianas proporcionan un mejor modelo para la forma del espacio.
Filosofía del espacio
Leibniz y Newton
En el siglo XVII, la filosofía del espacio y el tiempo surgió como un tema central en la epistemología y la metafísica. En su corazón, Gottfried Leibniz, el filósofo-matemático alemán, e Isaac Newton, el matemático-matemático inglés, establecieron dos teorías opuestas sobre lo que es el espacio. En lugar de ser una entidad que existe independientemente sobre otra materia, Leibniz sostuvo que el espacio no es más que la colección de relaciones espaciales entre los objetos en el mundo: "el espacio es aquel que resulta de lugares tomados en conjunto". Las regiones desocupadas son aquellas que podrían tener objetos en ellos, y por lo tanto relaciones espaciales con otros lugares. Para Leibniz, entonces, el espacio era una abstracción idealizada de las relaciones entre entidades individuales o sus posibles ubicaciones y, por lo tanto, no podía ser continuo, sino que debía ser discreto. El espacio podría pensarse de manera similar a las relaciones entre los miembros de la familia. Aunque las personas en la familia están relacionadas entre sí, las relaciones no existen independientemente de las personas. Leibniz argumentó que el espacio no podría existir independientemente de los objetos en el mundo porque eso implica una diferencia entre dos universos exactamente iguales excepto por la ubicación del mundo material en cada universo. Pero como no habría una forma observacional de separar estos universos, entonces, según la identidad de los indiscernibles, no habría una diferencia real entre ellos.
Newton tomó espacio para ser más que relaciones entre objetos materiales y basó su posición en la observación y la experimentación. Para un relacionista no puede haber diferencia real entre el movimiento inercial, en el cual el objeto viaja con velocidad constante, y el movimiento no inercial, en el cual la velocidad cambia con el tiempo, ya que todas las medidas espaciales son relativas a otros objetos y sus movimientos. Pero Newton argumentó que, dado que el movimiento no inercial genera fuerzas, debe ser absoluto. Utilizó el ejemplo del agua en un cubo giratorio para demostrar su argumento. El agua en un cubo se cuelga de una cuerda y se pone a girar, comienza con una superficie plana. Después de un rato, a medida que el cubo continúa girando, la superficie del agua se vuelve cóncava. Si se detiene el giro del cucharón, la superficie del agua permanece cóncava a medida que continúa girando. La superficie cóncava, por lo tanto, aparentemente no es el resultado del movimiento relativo entre la cubeta y el agua. En cambio, argumentó Newton, debe ser un resultado del movimiento no inercial relativo al espacio mismo. Durante varios siglos, el argumento del cubo se consideró decisivo para mostrar 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 . Según Kant, el conocimiento sobre el espacio es sintético , en el sentido de que las afirmaciones sobre el espacio no son simplemente verdaderas en virtud del significado de las palabras en el enunciado. En su trabajo, Kant rechazó la idea de que el espacio debe ser una sustancia o relación. En cambio, llegó a la conclusión de que el espacio y el tiempo no son descubiertos por los humanos como características objetivas del mundo, sino que son impuestos por nosotros como parte de un marco para organizar la experiencia.
Geometría no euclidiana
Los Elementos de Euclides contenían cinco postulados que forman la base de la geometría euclidiana. Uno de estos, el postulado paralelo, ha sido objeto de debate entre los matemáticos durante muchos siglos. Establece que en cualquier plano en el que haya una línea recta L 1 y un punto P que no esté en L 1 , hay exactamente una línea recta L 2 en el plano que pasa por el punto P y es paralela a la línea recta L 1. Hasta el siglo XIX, pocos dudaban de la verdad del postulado; en su lugar, el debate se centró en si era necesario como axioma, o si era una teoría que podría derivarse de los otros axiomas. Sin embargo, alrededor de 1830, 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 a través del punto P . En consecuencia, la suma de ángulos en un triángulo es menor que 180 ° y la relación de la circunferencia de un círculo a su diámetro es mayor que pi. En la década de 1850, Bernhard Riemann desarrolló una teoría equivalente de la geometría elíptica, en la que no pasan líneas paralelas a través de P. En esta geometría, los triángulos tienen más de 180 ° y los círculos tienen una relación de circunferencia a diámetro que es menor que pi.
| Tipo de geometría | Número de paralelos | Suma de ángulos en un triángulo | Relación de la circunferencia al diámetro del círculo | Medida de la curvatura |
|---|---|---|---|---|
| Hiperbólico | Infinito | <180 ° | > π | <0 |
| Euclidiano | 1 | 180 ° | π | 0 |
| Elíptico | 0 | > 180 ° | <π | > 0 |
Gauss y Poincaré
Aunque en ese momento existía un consenso kantiano prevaleciente, una vez que se formalizaron las geometrías no euclidianas, algunos comenzaron a preguntarse si el espacio físico es curvo o no. Carl Friedrich Gauss, un matemático alemán, fue el primero en considerar una investigación empírica de la estructura geométrica del espacio. Pensó en hacer una prueba de la suma de los ángulos de un enorme triángulo estelar, y hay informes de que realmente llevó a cabo una prueba, en pequeña escala, al triangular las cimas de las montañas en Alemania.
Henri Poincaré, un matemático y físico francés de finales del siglo XIX, introdujo una idea importante en la que intentó demostrar la inutilidad de cualquier intento de descubrir qué geometría se aplica al espacio mediante el experimento. 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 toma la temperatura para variar 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 usar varillas de medición para determinar la suma de los ángulos en un triángulo, pueden engañarse y pensar que habitan en un plano, en lugar de en una superficie esférica. De hecho, los científicos no pueden, en principio, determinar si habitan en un avión o esfera y, sostuvo Poincaré, lo mismo es cierto para el debate sobre si el espacio real es euclidiano o no. Para él, qué geometría se utilizó para describir el espacio era una cuestión de convención. Dado que la geometría euclidiana es más simple que la geometría no euclidiana, él asumió que la primera siempre se usaría para describir la 'verdadera' geometría del mundo.
Einstein
En 1905, Albert Einstein publicó su teoría especial de la relatividad, que condujo al concepto de que el espacio y el tiempo pueden verse como una sola 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 tiene como resultado que dos eventos que aparecen simultáneamente a un observador particular no serán simultáneos a otro observador si los observadores se mueven uno con respecto al otro. Además, un observador medirá un reloj en movimiento para marcar más lentamente que uno que esté estacionario con respecto a ellos; y los objetos se miden para acortarse en la dirección en que se mueven con respecto al observador.
Posteriormente, Einstein trabajó en una teoría general de la relatividad, que es una teoría de cómo la gravedad interactúa con el espacio-tiempo. En lugar de ver la gravedad como un campo de fuerza que actúa en el espacio-tiempo, Einstein sugirió que modifica la estructura geométrica del espaciotiempo mismo. De acuerdo con la teoría general, el tiempo transcurre más lentamente 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.
Matemáticas
En las matemáticas modernas, los espacios se definen como conjuntos con cierta estructura añadida. Con frecuencia se describen como diferentes tipos de variedades, que son espacios que se aproximan localmente al espacio euclidiano, y donde las propiedades se definen en gran parte en la conexión local de los puntos que se encuentran en la variedad. Sin embargo, hay muchos objetos matemáticos diversos que se llaman espacios. Por ejemplo, los espacios vectoriales como espacios funcionales pueden tener infinitos números de dimensiones independientes y una noción de distancia muy diferente del espacio euclidiano, y los espacios topológicos reemplazan el concepto de distancia por una idea más abstracta de cercanía.
Física
El espacio es una de las pocas cantidades fundamentales en la física, lo que significa que no se puede definir a través de otras cantidades porque en este momento no se conoce nada más fundamental. Por otro lado, puede estar relacionado con otras cantidades fundamentales. Por lo tanto, de forma similar a otras cantidades fundamentales (como el tiempo y la masa), el espacio se puede explorar a través de la medición y la experimentación.
Hoy en día, nuestro espacio tridimensional se ve como incrustado en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, llamado espacio de Minkowski (ver relatividad especial). La idea detrás del espacio-tiempo es que el tiempo es hiperbólico-ortogonal a cada una de las tres dimensiones espaciales.
Relatividad
Antes del trabajo de Einstein sobre la física relativista, el tiempo y el espacio se consideraban dimensiones independientes. Los descubrimientos de Einstein demostraron que, debido a la relatividad del movimiento, nuestro espacio y tiempo pueden combinarse matemáticamente en un espacio-objeto-objeto. Resulta que las distancias en el espacio o en el tiempo por separado no son invariables con respecto a las transformaciones de coordenadas de Lorentz, pero las distancias en el espacio-tiempo de Minkowski a lo largo de los intervalos espacio-temporales son-lo que justifica el nombre.
Además, las dimensiones de tiempo y espacio no deben considerarse exactamente equivalentes en el espacio-tiempo de Minkowski. Uno puede moverse libremente en el espacio pero no a tiempo. Por lo tanto, las coordenadas de tiempo y espacio se tratan de manera diferente tanto en relatividad especial (donde el tiempo a veces se considera una coordenada imaginaria) como en relatividad general (donde se asignan diferentes signos a los componentes de tiempo y espacio de la métrica espaciotemporal).
Además, en la teoría de la relatividad general de Einstein, se postula que el espacio-tiempo está geométricamente distorsionado- curvo- cerca de las masas gravitacionalmente significativas.
Una consecuencia de este postulado, que se desprende de las ecuaciones de la relatividad general, es la predicción de las ondas móviles del espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales. Si bien se ha encontrado evidencia indirecta de estas ondas (en los movimientos del sistema binario Hulse-Taylor, por ejemplo) los experimentos que intentan medir directamente estas ondas están en curso en las colaboraciones de LIGO y Virgo. Los científicos de LIGO informaron la primera observación directa de estas ondas gravitacionales el 14 de septiembre de 2015.
Cosmología
La teoría de la relatividad conduce a la cuestión cosmológica de qué forma es el universo y de dónde vino el espacio. Parece que el espacio fue creado en el Big Bang, hace 13.800 millones de años y se ha estado expandiendo desde entonces. La forma general del espacio no se conoce, pero se sabe que el espacio se está expandiendo muy rápidamente debido a la inflación cósmica.
Medida espacial
La medición del espacio físico ha sido importante durante mucho tiempo. Aunque las sociedades anteriores habían desarrollado sistemas de medición, el Sistema Internacional de Unidades (SI) es ahora el sistema más común de unidades utilizado en la medición del espacio, y se utiliza casi universalmente.
Actualmente, el intervalo de espacio estándar, denominado medidor estándar o simplemente medidor, se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de exactamente 1 / 299,792,458 de segundo. Esta definición, junto con la definición actual de la segunda, se basa en la teoría especial de la relatividad en la que la velocidad de la luz desempeña el papel de una constante fundamental de la naturaleza.
Espacio geográfico
La geografía es la rama de la ciencia relacionada con la identificación y descripción de lugares en la Tierra, que utiliza la conciencia espacial para tratar de comprender por qué las cosas existen en lugares específicos. La cartografía es la asignación de espacios para permitir una mejor navegación, para fines de visualización y para actuar como un dispositivo de ubicación. La geoestadística aplica conceptos estadísticos a los datos espaciales recopilados de la Tierra para crear una estimación de los fenómenos no observados.
El espacio geográfico a menudo se considera tierra y puede tener relación con el uso de la propiedad (en el que el espacio se considera como propiedad o territorio). Mientras que algunas culturas afirman los derechos del individuo en términos de propiedad, otras culturas se identificarán con un enfoque comunitario de la propiedad de la tierra, mientras que otras culturas como los aborígenes australianos, en lugar de afirmar los derechos de propiedad de la tierra, invierten la relación y consideran que de hecho 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 está restringida a la tierra. La propiedad del espacio aéreo y de las aguas se decide a nivel internacional. Otras formas de propiedad se han afirmado recientemente en otros espacios, por ejemplo, en las bandas de radio del espectro electromagnético o en el ciberespacio.
El espacio público es un término usado para definir áreas de tierra que pertenecen colectivamente a la comunidad, y administradas en su nombre por organismos delegados; tales espacios están abiertos a todos, mientras que la propiedad privada es la tierra culturalmente propiedad de un individuo o empresa, para su propio uso y placer.
Espacio abstracto es un término usado en geografía para referirse a un espacio hipotético caracterizado por homogeneidad completa. Al modelar actividad o comportamiento, es una herramienta conceptual utilizada para limitar variables externas como el terreno.
En psicología
Los psicólogos primero comenzaron a estudiar la forma en que se percibe el espacio a mediados del siglo XIX. Los que ahora están preocupados por tales estudios lo consideran como 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, véase, por ejemplo, el espacio visual.
Otros temas más especializados estudiados incluyen la percepción amodal y la permanencia del objeto. La percepción del entorno es importante debido a su relevancia necesaria para la supervivencia, especialmente en lo que respecta a la caza y la autopreservación, así como a la idea del espacio personal.
Se han identificado varias fobias relacionadas con el espacio, que incluyen la agorafobia (el miedo a los espacios abiertos), la astrofobia (el miedo al espacio celeste) y la claustrofobia (el miedo a los espacios cerrados).
Se cree que la comprensión del espacio tridimensional en los humanos se aprende durante la infancia utilizando inferencia inconsciente, y está estrechamente relacionada con la coordinación mano-ojo. La capacidad visual para percibir el mundo en tres dimensiones se llama percepción de profundidad.