Preguntas y respuestas sobre el espacio y el tiempo

 

Preguntas

 

1.       ¿El espacio y el tiempo existen objetivamente o sólo en nuestra mente?

[Problema de la objetividad / subjetividad]

 

2.       ¿En ausencia de materia existen el espacio y el tiempo?

[Problema de la existencia independiente o debate substancialismo vs relacionismo]

 

3.       ¿El espacio-tiempo es discreto o continuo?

[El problema de la microestructura cuántica]

 

4.       ¿El espacio y el tiempo son emergentes?

[Integra las preguntas 2 y 3]

 

5.       ¿Espacio y tiempo son entidades separadas?

[El problema de la doble naturaleza] [¿En qué sentido son distintos entonces?]

 

6.       ¿El tiempo fluye? ¿Existe sólo el presente?

[Debate presentismo vs eternalismo (universo de bloque)]

 

7.       ¿Qué define el sentido del tiempo?

[El problema de la flecha del tiempo]

 

8.       ¿El espacio es un mero escenario inmutable y pasivo? ¿Un punto espacial permanece idéntico a sí mismo a lo largo del tiempo?

[Problema del carácter absoluto del espacio]

 

9.       ¿El espacio-tiempo es de carácter material?

[El problema de la naturaleza del espacio-tiempo]

 

10.   ¿El tiempo fluye a un ritmo constante?

 

11.   ¿El tiempo propio fluye a un ritmo constante?

 

 

Respuestas

 

1.       ¿El espacio y/o el tiempo existen objetivamente o sólo en nuestra mente?   Agustín de Hipona, Hume y Kant dan respuesta subjetivista.  Esta ruta no tiene importancia para entender el tiempo o el espacio como tales, pero da pié a investigación empírica, científica, en psicología y biología.  Aquí el problema es otro: ¿cómo un animal percibe o calcula el tiempo o el espacio? (en particular el Homo Sapiens) Otros problemas similares: investigación sobre los ritmos biológicos, celulares, etc.

Respuesta actual: el espacio y el tiempo tienen existencia independiente de los sujetos humanos o de cualquier otro sujeto cognoscente.

 

2.       ¿En ausencia de materia existen el espacio y/o el tiempo?  La respuesta relacionista es defendida por Aristóteles, Descartes (1644), Leibniz (1715), Mach (1883).  Newton es substancialista (1687).  Einstein es influido heurísticamente por el relacionismo para construir la teoría de la relatividad especial (1905) y luego la general (1915), pero finalmente, tras el debate con De Sitter (1916-17), se torna substancialista (1920) (Gutfreund y Renn).  Bunge es relacionista (1983), pero al parecer cambió al final de su vida tras la detección de ondas gravitacionales en 2015.

Respuesta actual: el espacio-tiempo tiene existencia independiente de la materia.

 

3.       ¿El espacio-tiempo es discreto o contínuo?   En física relativista se entiende el espacio-tiempo como un campo continuo.  Y ese es el conocimiento científico válido hoy.  Pero hay exploraciones en gravedad cuántica (ver Carlo Rovelli) que apuntan a una microestructura a nivel de la escala de Planck.  Lo cierto es que la física relativista encuentra el límite en la escala de Planck, así como en las singularidades en el centro de agujeros negros y en el inicio del Big Bang.

Respuesta actual: la Relatividad General está vigente y no está probado que el espacio-tiempo tenga una microestructura.

 

4.       ¿El espacio y/o el tiempo son emergentes?   La visión relacionista puede entenderse como un enfoque emergentista, aunque el concepto “emergencia” es posterior.  Este concepto aplica mejor para la gravedad cuántica de bucles que concibe al espacio-tiempo como emergente a partir de una microestructura aún en investigación (Rovelli).

Respuesta actual: la misma de la pregunta anterior, no hay prueba de emergencia por ahora.

 

5.       ¿Espacio y tiempo son entidades separadas?  Siempre se consideraron entidades separadas hasta Einstein y Minkowski (1908).  Hoy está claro que constituyen una sola entidad (el campo espacio-temporal), así como electricidad, magnetismo y luz constituyen una sola entidad, el campo electromagnético.  Más aún, espacio-tiempo y gravedad son una sola entidad.  Lo que antes eran tres entes diferentes, espacio, tiempo y gravedad, hoy son uno solo, acorde a la TGR (Teoría General de la Relatividad).  Pero la inseparabilidad de fondo no niega que se trata de dos manifestaciones distintas.  El espacio-tiempo es un continuo cuatridimensional, pero el tiempo, como cuarta dimensión no es una dimensión espacial.  El ente espacio-tiempo tiene una geometría física de cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal.  El componente espacial y el componente temporal son relativos al sistema de referencia, pero el intervalo espacio-temporal no.

Respuesta actual: espacio, tiempo y gravedad constituyen una sola entidad, son inseparables, pero el tiempo no se reduce a una dimensión espacial (queda un toque de misterio).

 

6.       ¿El tiempo fluye? ¿Existe sólo el presente?   Este debate sigue abierto, pero parece imponerse el eternalismo a pesar de lo contraintuitivo (en la vida práctica cotidiana todos somos presentistas).  Einstein, al final de su vida, negaba el fluir del tiempo, un pronunciamiento que algunos confunden con la negación del tiempo objetivo.  Que el fluir del tiempo sea una ilusión no significa que el tiempo sea una ilusión.  La opción eternalista se expresa con la idea del “universo de bloque”, una idea al mejor estilo de Parménides.  Según esta idea existe el universo pasado-futuro, todo como un solo bloque.

Respuesta actual: abierta.

 

7.       ¿Qué define la dirección (sentido) del tiempo?   Hay dominios de la física donde la dirección (sentido) del tiempo es irrelevante.  Es con el desarrollo de la termodinámica que aparece la “flecha del tiempo” como si fuese una propiedad emergente. Sin embargo, hay fenómenos como la radiactividad o la expansión del universo y quizás ciertos fenómenos de los agujeros negros que también presentan un sentido unidireccional del tiempo.  El asunto sigue siendo materia de debate.

Respuesta actual: abierta.

 

8.       ¿El espacio es un mero escenario inmutable y pasivo? ¿Un punto espacial permanece idéntico a sí mismo a lo largo del tiempo?   El único que defendió la idea de espacio absoluto fue Newton.  Sin embargo, su impacto fue tal que la idea terminó siendo aceptada gracias al enorme éxito predictivo de su dinámica.  Sin embargo, hoy sabemos que la dinámica de Newton no exige el espacio absoluto (ver Maudlin, Penrose).  Ese concepto metafísico que Newton utilizó para poder desarrollar su dinámica fue como un andamio, del cual podemos prescindir una vez aparecen nuevas herramientas matemáticas. 

El espacio absoluto de Newton tiene 4 características:

·         Existe objetivamente, esto es, con independencia del sujeto

·         Existe con independencia de la materia  (choca con Leibniz)

·         Es un escenario inmutable y pasivo (no cambia nada, nada lo cambia)

·         Cada punto espacial mantiene su identidad a través del tiempo  (choca con Galileo)

La Relatividad General no destruyó las dos primeras, pero sí la tercera.  Y al parecer la cuarta característica también la destruyó (como corresponde a los tres principios de relatividad, el de Galileo, el de la Especial y el de la TGR) (ver Maudlin), pero aún tengo una duda que se relaciona con las ondas gravitacionales.

Respuesta actual: la idea de espacio absoluto fue desechada.

 

9.       ¿El espacio-tiempo es de carácter material?   Las ideas de espacio como éter aristotélico, extensión cartesiana, éter luminífero mecánico (siglo XIX), estaban equivocadas en diversos aspectos.  La idea de vacío que viene desde los atomistas y fue defendida por Newton triunfó hasta el siglo XX.  Pero la ironía es que hoy por hoy, tanto desde la física cuántica como la relativista, no existe un auténtico vacío.  Y acorde a la TGR el espacio-tiempo es un campo energético, es decir, de carácter material.

Respuesta actual: el espacio-tiempo es de carácter material.

 

10.   ¿El tiempo fluye a un ritmo constante?   La variabilidad en el fluir del tiempo siempre se pensó en términos subjetivos, como tiempo psicológico.  Pero Einstein, en 1905, mostró que el tiempo objetivo depende del movimiento (velocidad) con respecto al sistema de referencia que lo mide y con la relatividad general mostró que el tiempo depende de la gravedad, o mejor, que el tiempo intrínsecamente unido al espacio es la gravedad misma.  Pero también mostró que el tiempo propio no varía.  El ritmo del tiempo varía entre sistemas de referencias que se muevan entre sí, pero no hay ningún cambio de ritmo observable o medible por un reloj o un ser vivo en el sistema de referencia propio.

Respuesta actual: el tiempo no fluye a un ritmo constante.

 

11.   ¿El tiempo propio fluye a un ritmo constante?   En 1918 Herman Weyl exploró un desarrollo matemático que llevaba a la extraordinaria conclusión de que el tiempo propio y la masa eran “dependientes del camino”, es decir, que eran afectados por su historia en el espacio-tiempo (su línea de universo).  Einstein no puso objeción a la construcción matemática que parecía ser consistente, pero sí a su conclusión física que era contradictoria con los experimentos.

Respuesta actual: el tiempo propio es absoluto.

 

Barranquilla, 26 de febrero de 2021

La venganza de Newton contra Leibniz (substancialismo vs relacionismo)

Este divertimento de Jorge Senior es un ejercicio para cotejar la posición de algunos autores respecto a su concepción sobre el espacio y el tiempo.

La victoria de Einstein sobre Newton fue, irónicamente, una victoria relativa de Newton sobre Leibniz.

Faraday y Maxwell son testigos cómplices y sonrientes.

Kant sufrió una derrota mayor, pues con su idealismo se quedó con lo peor de dos mundos (pero tranquilos kantianos que en otro tema, Piaget y en general la neuropsicología reivindicaría, sin apriorismos, su idea de sujeto activo).

Leibniz (como Huygens) defendió una concepción relacional del espacio y el tiempo, estos son relaciones entre objetos (el espacio) y entre eventos (el tiempo), no son independientes de la materia.  En términos actuales diríamos que Leibniz defendía que el espacio y el tiempo eran propiedades emergentes de la materia.

  

Newton, en contraste, defendió una idea substancialista del espacio como un escenario absoluto e independiente de la materia, una entidad existente objetivamente, aunque de carácter inmaterial y por tanto pasivo. Su principal argumento fue el experimento mental de un balde con agua en rotación.  La superficie del agua se curva con respecto al espacio.  Mach criticaría esta idea.

Einstein se inspiró en Leibniz y Mach para criticar a Newton y, al mismo tiempo, mantenerse fiel a Maxwell.  Así surgió la Relatividad Especial en 1905. En ese momento Newton resultó derrotado, el relacionismo parecía triunfante.  Poco después Minkowski aportó la idea de espacio-tiempo implícita en la relatividad especial, pero a nivel matemático (como en los diagramas de Minkowski con sus conos de luz).  

El partido cambió con la relatividad general, cuando después de elaboradas sus ecuaciones de campo fundamentales en 1915, Einstein se vio obligado a cambiar su concepción machiana y leibniziana a partir de su debate con Wilhem De Sitter en 1916 y 1917.  Por cierto, Mach murió a comienzos de 1916 sin aceptar la relatividad.  Así, Einstein se tornó substancialista cuando terminó aceptando que, según su propia teoría, el espacio-tiempo es una entidad física objetiva, un campo interactuante con la materia pero con una existencia independiente de ella. En ese sentido el espacio-tiempo, dado que es capaz de realizar trabajo, es de carácter material.  La predicción más contundente en ese sentido son las ondas gravitacionales que, desde 2015 al presente han sido detectadas en múltiples ocasiones, producidas por procesos de colisión y fusión protagonizados por estrellas neutrón y/o agujeros negros estelares.

Newton perdió porque el espacio y el tiempo son relativos, no absolutos, como tampoco es absoluta la masa.  Pero también ganó frente a Leibniz porque el espacio-tiempo, aunque modificable e interactuante, sí es absoluto en el sentido de sus leyes físicas invariantes de forma bajo transformaciones generales de los sistemas de coordenadas, por ejemplo sus intervalos cuatridimensionales son los mismos para cualquier "observador", sea humano o máquina (los intervalos de espacio-tiempo son independientes del sistema de referencia). Así que Newton tuvo razón en el carácter independiente del espacio y el tiempo (substancialismo), aunque se equivocó al considerarlos separables o separados, error compartido con Leibniz y todos los seres humanos antes de Einstein.  Su otra falla fue considerar al espacio como un simple escenario pasivo, independiente pero inmaterial.

Tabla de posiciones sobre el espacio y el tiempo:

Leibniz: separables, objetivos, dependientes e inmateriales

Newton: separables, objetivos, independientes e inmateriales

Kant: separables, subjetivos, independientes como formas a priori pero dependientes del sujeto (Kant no es relacionista ni substancialista sino un idealista apriorista) e inmateriales 

Einstein: inseparables, objetivos, independientes y materiales. Gracias a un concepto fundamental: el campo.

-Separables se refiere a considerar el espacio y el tiempo como independientes entre sí; inseparables implica que hay que considerarlos en conjunto (como la electricidad y el magnetismo que son dos manifestaciones del mismo campo).

-Dependientes se refiere al relacionismo o emergentes respecto a la materia (en el caso de Kant respecto al sujeto); independientes se refiere al substancialismo.

-Materiales se refiere a su realidad física con propiedades como energía, temperatura, entropía, capacidad de ejercer trabajo; inmateriales se refiere a su carácter pasivo como mero escenario. No confundir con subjetivo como en el idealismo kantiano.

-Objetivos: independientes del sujeto; subjetivos: dependientes del sujeto

De acuerdo a esto el campeonato finaliza con la siguiente tabla de puntajes.

1. Einstein: 4 puntos

2. Newton: 2 puntos

3. Leibniz: 1 punto

4. Kant: 0 puntos (blanqueado).

 De toda esta impactante revolución einsteiniana, Maxwell salió indemne y sonriente.  Y el autodidacta Faraday quedó como el Gran Pionero, el padre de esta revolución que en realidad se inició en la primera mitad del siglo XIX jugando con unas bobinas.

Nota: eternalismo vs presentismo es otro asunto íntimamente relacionado con el tema de esta entrada, pero no lo incluí por el momento presente pero pienso hacerlo en un futuro (si el eternalismo tiene razón, entonces ya está incluido en algún otro punto del espacio-tiempo). 

Nota 2: hablar de "errores" y "fallas" es en sentido ahistórico; no es que ellos cometieran errores o fallas lógica o experimentales en su argumentación en el contexto del conocimiento de su época, sino visto desde hoy en una especie de balance ahistórico que no pasa de ser un juego, pero que sirve para clarificar las diferencias en las distintas posiciones.

Jorge Senior