O espaço-tempo é uma combinação das três dimensões espaciais com uma dimensão temporal, formando um sistema de coordenadas quadridimensional. Graças à teoria da relatividade restrita de 1905 e à teoria da relatividade geral de 1915, de Albert Einstein, as noções de espaço e tempo foram radicalmente modificadas. Nelas, o espaço físico dos fenômenos é o espaço de Minkowski, um espaço pseudo-euclidiano de quatro dimensões, três dimensões espaciais e uma temporal, o espaço-tempo. Na relatividade geral, o espaço-tempo é distorcido por objetos massivos, resultando no fenômeno físico da gravitação.
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Tópicos deste artigo
- 1 - Resumo sobre o espaço-tempo
- 2 - O que é o espaço-tempo?
- 3 - Explicação sobre o espaço-tempo
- 4 - Einstein e o espaço-tempo
- 5 - Do que é feito o espaço-tempo?
- 6 - Curiosidades sobre o espaço-tempo
Resumo sobre o espaço-tempo
- Espaço-tempo é a unificação de três dimensões espaciais com uma temporal.
- Zero dimensões = ponto; unidimensional = reta; bidimensional = quadrado; tridimensional = cubo; quadridimensional = espaço-tempo.
- Com a teoria da relatividade de Einstein, o tempo passa a não ser mais invariante.
- O espaço-tempo é constituído de nada, pois não é matéria.
- Em virtude da teoria da relatividade restrita e geral de Einstein, diversos fenômenos físicos foram descobertos, como a dilatação temporal, a contração dos objetos e a dilatação temporal gravitacional.
- A teoria das cordas prevê que o espaço-tempo tem 26 dimensões.
- Um cubo em quatro dimensões espaciais seria um hipercubo.
O que é o espaço-tempo?
O espaço-tempo é uma combinação das três dimensões espaciais com uma dimensão temporal, formando um sistema de coordenadas quadridimensional (4D), o espaço de Minkowski, usado na teoria da relatividade de Einstein.
Explicação sobre o espaço-tempo
Para entender o que é espaço-tempo, primeiro precisamos compreender o conceito de dimensão. Na Matemática, dimensão é o número mínimo de coordenadas necessárias para especificar qualquer coisa dentro dela; assim, um ponto tem zero dimensões espaciais.
Uma formiga nesse ponto não pode se movimentar em direção alguma, pois ela tem zero graus de liberdade no ponto. Por outro lado, uma reta tem uma dimensão espacial (1D), ou seja, é unidimensional. Uma formiga, nessa reta, pode ir para frente e para trás; portanto, ela tem um grau de liberdade. Agora, se acrescentarmos mais uma dimensão, como em uma mesa quadrada, teremos duas dimensões espaciais (2D), ou seja, bidimensional.
Além de ir para frente e para trás, essa formiga pode ir para cima e para baixo. Acrescentando mais uma dimensão, teremos um cubo, ou seja, três dimensões espaciais (3D), assim, tridimensional. Agora, com três dimensões, a formiga tem noção de profundidade e pode se movimentar nos três eixos de coordenadas.
Nesse momento, você deve estar pensando que iremos adicionar mais uma dimensão espacial, formando um hipercubo quadrimensional. Não é esse o caso, desta vez. Agora, a outra dimensão que iremos acrescentar ao nosso sistema de coordenadas é uma dimensão temporal. Isso pode parecer estranho num primeiro momento, mas, com a relatividade de Einstein, essa manobra faz sentido.
As três dimensões espaciais unificadas com uma dimensão temporal formam o espaço-tempo, o espaço de Minkowski quadridimensional (4D). Agora, a nossa formiga, além de se mover em todas as três direções espaciais, move-se também no tempo, sempre para o futuro. Assim, a formiga pode ser especificada, de forma unificada, em localização e instante.
Einstein e o espaço-tempo
Einstein e o espaço-tempo estão diretamente relacionados. Antes de Einstein, os físicos tratavam a variável tempo como algo absoluto, invariante. Todas as descrições físicas da mecânica newtoniana eram calculadas com as transformações de Galileu. Em 1905, Einstein publicou o trabalho referente à teoria da relatividade restrita (ou especial), em que passa a tratar a velocidade da luz como a entidade física absoluta, invariante, e não mais o tempo. No lugar das transformações de Galileu, ele passa a usar as transformações de Lorentz e define um espaço pseudo-euclidiano onde ocorre os fenômenos relativísticos, o espaço-tempo.
Posteriormente, em 1915, Einstein publicou outro trabalho que também revolucionou a ciência moderna, a teoria da relatividade geral. Na relatividade geral, a gravidade passa a ser descrita como a deformação do tecido do espaço-tempo por causa de objetos massivos e energéticos, como estrelas e planetas. Com isso, o espaço-tempo passa não só a ser tratado como algo dependente do referencial como também como algo maleável, a exemplo do tecido de uma cama elástica.
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Do que é feito o espaço-tempo?
O espaço-tempo não é feito de coisa alguma, pois as dimensões não são matéria, sequer energia. Fazendo uma analogia, se os fenômenos físicos fossem uma peça de teatro, os átomos, moléculas e suas interações seriam os atores, enquanto o espaço-tempo seria o palco, onde teríamos o espaço para definir a localização dos atores, e o tempo para definir os instantes, como o início da apresentação, o desenvolvimento do drama e o final acompanhado dos aplausos da plateia (que seriam os físicos).
Sem espaço-tempo não há fenômeno físico. Sem espaço-tempo não há Universo. Essas são as variáveis fundamentais da Física. Por isso os impactos dos trabalhos de Einstein são tão extraordinários para a ciência, ele modificou a forma como o ser humano olha para as estruturas mais básicas do Universo, o palco da dramática ciência fundamental, o espaço-tempo.
Curiosidades sobre o espaço-tempo
- Dilatação temporal: com a relatividade restrita de Einstein, descobriu-se que objetos próximos à velocidade da luz sofrem o fenômeno da dilatação temporal, ou seja, a passagem do tempo é diferente com relação a um outro referencial. Um exemplo famoso é do paradoxo dos gêmeos. Um gêmeo viaja por um longo tempo em velocidades próximas à da luz, enquanto o outro gêmeo permanece na Terra vivendo normalmente. Quando o gêmeo viajante retorna ao planeta, percebe que o seu irmão está muito mais velho que ele. Isso aconteceu por causa da dilatação temporal que ele sofreu ao viajar em velocidades tão altas. Esse fenômeno pode ser medido com partículas altamente energéticas em laboratório.
- Contração dos objetos: outro fenômeno que também acontece ao viajar em velocidades tão altas é o da contração dos objetos. Em velocidades próximas à da luz, o espaço ao redor do objeto é comprimido, fazendo ele diminuir consideravelmente de tamanho.
- Dilatação temporal gravitacional: com a relatividade geral de Einstein, outro interessante fenômeno acontece. Nas proximidades de um objeto muito massivo, um buraco negro por exemplo, também acontece a dilatação temporal. Esse efeito é mostrado no filme de ficção científica Interestelar, de 2014.
- Teoria das cordas: é um modelo teórico que tenta unificar as interações fundamentais e descreve as partículas elementares como vibrações de cordas minúsculas, muito menores que os átomos. A teoria das cordas requer dimensões extras do espaço-tempo. Nela, o espaço-tempo tem 26 dimensões (26D).
- Hipercubo: se houvesse quatro dimensões espaciais, um cubo quadridimensional seria um hipercubo. O desenho para representar um hipercubo é apenas uma ideia de como seria essa estranha forma, mas não conseguimos conceber a sua forma real, pois nós somos seres que vivem em apenas três dimensões espaciais, da mesma forma que um ser bidimensional conhece um quadrado, mas não conseguiria conceber a existência de um cubo.
Fontes
CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.
NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.
