Spazio-tempo

Autore: Leandro Alegsa Data di creazione: 28 febbraio 2021

Lo spazio-tempo è un modello matematico che unisce lo spazio e il tempo in un'unica idea chiamata continuum. Questo continuum quadridimensionale è noto come spazio di Minkowski.

La combinazione di queste due idee ha aiutato la cosmologia a capire come funziona l'universo a livello grande (per esempio le galassie) e piccolo (per esempio gli atomi).

Nella meccanica classica non relativistica, l'uso dello spazio euclideo invece dello spazio-tempo è buono, perché il tempo è trattato come universale con una velocità di passaggio costante che è indipendente dallo stato di moto di un osservatore.

Ma in un universo relativistico, il tempo non può essere separato dalle tre dimensioni dello spazio. Questo perché la velocità osservata con cui il tempo passa dipende dalla velocità di un oggetto rispetto all'osservatore. Inoltre, la forza di qualsiasi campo gravitazionale rallenta il passaggio del tempo per un oggetto visto da un osservatore esterno al campo.

Un'illustrazione della curvatura spazio-temporale causata dalla Terra.

Altri aspetti

Ovunque esista la materia, essa piega la geometria dello spazio-tempo. Questo risulta in una forma curva dello spazio-tempo che può essere intesa come gravità. Le linee bianche nell'immagine a destra rappresentano l'effetto della massa sullo spazio-tempo.

Nella meccanica classica, l'uso dello spazio-tempo è opzionale, poiché il tempo è indipendente dal movimento nelle tre dimensioni dello spazio euclideo. Tuttavia, quando un corpo si muove a velocità prossime alla velocità della luce (velocità relativistiche), il tempo non può essere separato dalle tre dimensioni dello spazio. Il tempo, dal punto di vista di un osservatore fermo, dipende da quanto vicino alla velocità della luce si muove l'oggetto.

Analogia bidimensionale della distorsione spazio-temporale

Origine storica

Molte persone collegano lo spazio-tempo con Albert Einstein, che propose la relatività speciale nel 1905. Tuttavia, fu l'insegnante di Einstein, Hermann Minkowski, a suggerire lo spazio-tempo in un saggio del 1908. Il suo concetto di spazio Minkowski è il primo trattamento dello spazio e del tempo come due aspetti di un tutto unificato, che è l'essenza della relatività speciale. Sperava che questa nuova idea avrebbe chiarito la teoria della relatività speciale.

Lo spazio-tempo di Minkowski è preciso solo nel descrivere la velocità costante. Fu Einstein, però, a scoprire la curvatura dello spazio-tempo (gravità) nella relatività generale. Nella relatività generale, Einstein generalizzò lo spazio-tempo di Minkowski per includere gli effetti dell'accelerazione. Einstein scoprì che la curvatura nella sua rappresentazione dello spazio-tempo a 4 dimensioni era in realtà la causa della gravità.

La tredicesima edizione del 1926 dell'Enciclopedia Britannica includeva un articolo di Einstein intitolato "spazio-tempo".

Sfondo letterario

Edgar Allan Poe scrisse un saggio sulla cosmologia intitolato Eureka (1848) che diceva che "lo spazio e la durata sono uno". Questo è il primo caso conosciuto di suggerire che lo spazio e il tempo siano percezioni diverse di una cosa. Poe arrivò a questa conclusione dopo circa 90 pagine di ragionamento, ma non impiegò la matematica.

Nel 1895, H.G. Wells, nel suo romanzo La macchina del tempo, scrisse: "Non c'è alcuna differenza tra il tempo e una qualsiasi delle tre dimensioni dello spazio, tranne che la nostra coscienza si muove lungo di esso". Aggiungeva: "Gli scienziati... sanno molto bene che il Tempo è solo una specie di Spazio".

Lo spaziotempo in meccanica quantistica

Nella relatività generale, lo spaziotempo è pensato come liscio e continuo. Tuttavia, nella teoria della meccanica quantistica, lo spaziotempo non è sempre continuo.

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Domande e risposte

D: Che cos'è lo spazio-tempo secondo il testo?

R: Lo spazio-tempo è un modello matematico che collega lo spazio e il tempo, formando un continuum a quattro dimensioni noto come spazio di Minkowski.

D: In che modo la combinazione di spazio e tempo ha aiutato la cosmologia?

R: La combinazione di spazio e tempo ha permesso alla cosmologia di capire meglio come funziona l'universo sia a livello di grandi dimensioni, come le galassie, sia a livello di piccole dimensioni, come gli atomi.

D: Perché l'uso dello spazio euclideo invece dello spazio-tempo è valido nella meccanica classica non relativistica?

R: Nella meccanica classica non relativistica, l'uso dello spazio euclideo è valido perché il tempo è trattato come universale, con una velocità di passaggio costante che è indipendente dallo stato di moto dell'osservatore.

D: Perché il tempo è inseparabile dalle tre dimensioni dello spazio in un universo relativistico?

R: Il tempo non può essere separato dalle tre dimensioni dello spazio in un universo relativistico, perché la velocità osservata di passaggio del tempo dipende dalla velocità di un oggetto rispetto all'osservatore.

D: In che modo la forza di un campo gravitazionale influenza il passaggio del tempo per un oggetto?

R: La forza di qualsiasi campo gravitazionale rallenta il passaggio del tempo per un oggetto, visto da un osservatore esterno al campo.

D: Come si chiama il continuum quadridimensionale che unisce lo spazio e il tempo?

R: Il continuum a quattro dimensioni che unisce lo spazio e il tempo si chiama spazio di Minkowski.

D: In che modo la combinazione di spazio e tempo ha aiutato la cosmologia a comprendere l'universo?

R: La combinazione di spazio e tempo ha aiutato la cosmologia a comprendere meglio il funzionamento dell'universo, sia a livello di grandi dimensioni, come le galassie, sia a livello di piccole dimensioni, come gli atomi.