Espaço (física)

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Um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional destro usado para indicar posições no espaço.

O espaço é a entidade indefinida e ilimitada que contém todas as coisas materiais . Estas, tendo uma extensão, ocupam uma parte dela e assumem uma posição no espaço, que se define quantitativamente de acordo com os princípios da geometria , e qualitativamente, a partir de relações de proximidade (distância) e tamanho (pequenez). [1]

Acredita-se que o espaço físico real seja tridimensional , embora na física moderna esse espaço tridimensional seja considerado parte de um continuum quadridimensional denominado espaço-tempo , que também inclui o tempo . Em matemática, eles podem ser definidos como " espaços " com um número de dimensões ainda maior do que quatro e com estruturas subjacentes complexas. As observações experimentais até agora confirmam a hipótese de um espaço tridimensional até dimensões subatômicas. A física de alta energia , e em particular os experimentos no Large Hadron Collider no CERN , estão procurando por possíveis manifestações de dimensões extras em escalas subatômicas [2] .

O conceito de espaço é considerado de fundamental importância para a compreensão do universo físico. No entanto, existe uma discordância contínua entre os filósofos quanto a se é em si uma entidade, um relacionamento entre entidades ou parte de uma estrutura conceitual.

Fundo

Os debates sobre a natureza, essência e modo de existência do espaço datam da Antiguidade; a saber, tratados como o Timeu Platão , ou de reflexões de Sócrates sobre o que os gregos chamavam de khora (ou seja, "espaço"), ou a Física Aristóteles (Livro V, Delta) na definição de topos (ou seja, localização), ou mesmo o posterior "concepção geométrica de lugar" como "espaço enquanto extensão" no Discurso sobre o lugar ( Qawl fi al-Makan ), do estudioso árabe do século XI Alhazen . [3] Muitas dessas questões filosóficas clássicas foram discutidas na Renascença e então reformuladas no século 17 , particularmente durante o desenvolvimento inicial da mecânica clássica . Na visão de Isaac Newton , o espaço era absoluto, no sentido de que existia permanentemente e independentemente de haver matéria ou não. [4]

Outros filósofos naturais , em particular Gottfried Leibniz , pensaram que o espaço era na verdade um conjunto de relações entre objetos, dadas por suas distâncias e direções mútuas. No século 18 , o filósofo e teólogo George Berkeley tentou refutar a "visibilidade da profundidade espacial" em seu ensaio Rumo a uma nova teoria da visão . Mais tarde, o metafísico Immanuel Kant afirmou que nem o espaço nem o tempo podem ser percebidos empiricamente: são elementos de uma estrutura sistemática que os humanos usam para estruturar todas as experiências. Kant definiu "espaço" em sua Crítica da Razão Pura como uma "forma pura e subjetiva de intuição a priori ", portanto, como uma contribuição essencial de nossas faculdades humanas.

Nos séculos 19 e 20 , os matemáticos começaram a examinar geometrias não euclidianas , nas quais o espaço pode ser descrito como curvo em vez de plano . De acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein , o espaço imerso em campos gravitacionais se desvia do espaço euclidiano . [5] Testes experimentais da relatividade geral confirmaram que o espaço não euclidiano fornece um modelo melhor para a forma do espaço.

Espaço na filosofia

Leibniz e Newton

No século 17, a filosofia do espaço e do tempo surgiu como uma questão central na epistemologia e na metafísica . Em sua essência, Gottfried Leibniz , o filósofo-matemático alemão, e Isaac Newton , o físico-matemático inglês, formularam duas teorias opostas sobre o que é o espaço. Em vez de ser uma entidade que existe independentemente sob e além da matéria , Leibniz acreditava que o espaço nada mais era do que o conjunto de relações espaciais entre objetos no mundo: "espaço é aquilo que resulta de lugares tomados em conjunto". [6] Regiões desocupadas são aquelas que podem conter objetos e, portanto, relações espaciais com outros lugares. Para Leibniz, portanto, o espaço era uma abstração idealizada das relações entre sujeitos individuais ou entre suas posições possíveis e, portanto, não poderia ser contínuo , mas deveria ser discreto . [7] O espaço pode ser pensado de forma semelhante às relações entre membros da família. Mesmo que as pessoas na família sejam relacionadas entre si, os relacionamentos não existem independentemente das pessoas. [8] Leibniz argumentou que o espaço não pode existir independentemente dos objetos no mundo, pois isso implicaria em uma diferença entre dois universos exatamente iguais, devido à diferença na posição do mundo material em cada universo. Mas, uma vez que não haveria maneira observacional de distinguir esses universos, de acordo com a identidade dos indiscerníveis, não haveria diferença entre eles. De acordo com o princípio da razão suficiente , qualquer teoria do espaço envolvendo mais de um universo possível deve, portanto, estar errada. [9]

Newton considera o espaço mais do que um conjunto de relações entre objetos materiais e baseia sua posição na observação e na experimentação . Para um relacionalista, não pode haver diferença real entre o movimento inercial , no qual um objeto viaja com velocidade constante, e o movimento não inercial , no qual a velocidade muda com o tempo, uma vez que todas as medidas espaciais são relativas a outros objetos e seus movimentos. Mas Newton argumentou que, uma vez que o movimento não inercial gera forças , o espaço deve ser absoluto. [10] Newton usou o exemplo da água em um balde giratório para provar seu ponto. Um balde contendo água é pendurado em uma corda e girado; a água inicialmente tem uma superfície plana. Depois de um tempo, conforme o balde continua girando, a superfície da água torna-se côncava. Se a rotação do balde for interrompida, a superfície da água permanece côncava e continua a girar. A superfície côncava, portanto, aparentemente não é o resultado do movimento relativo entre o balde e a água. [11] Em vez disso, Newton argumentou, deve ser o resultado de um movimento não inercial em relação ao próprio espaço. Por muitos séculos, o argumento do balde foi uma demonstração decisiva de que o espaço deve existir independentemente da matéria.

Kant

No século 18, o filósofo alemão Immanuel Kant desenvolveu uma teoria do conhecimento , na qual o conhecimento do espaço pode ser a priori e sintético ao mesmo tempo. [12] De acordo com Kant, o conhecimento do espaço é sintético , pois as afirmações sobre o espaço simplesmente não são verdadeiras em virtude do significado de suas palavras. Em sua obra, Kant rejeita a ideia de que o espaço deve ser uma substância ou um relacionamento. Em vez disso, ele chega à conclusão de que o espaço e o tempo não são descobertos pelos seres humanos como características objetivas do mundo, mas são parte de uma estrutura sistemática essencial para organizar nossas experiências. [13]

Geometrias não euclidianas e sua influência

A geometria esférica é semelhante à geometria elíptica . Não existem linhas paralelas na superfície de uma esfera .

Os Elementos de Euclides contêm cinco postulados que formam a base da geometria euclidiana . Um deles, o postulado paralelo tem sido um assunto de debate entre os matemáticos por séculos. Afirma que em todo plano no qual existe uma linha reta L 1 e um ponto P que não está em L 1 , há apenas uma linha reta L 2 no plano que passa pelo ponto P e paralela à linha reta L 1 . Até o século XIX, poucos duvidavam da verdade do postulado; o debate, em vez disso, centrou-se em se era necessário como um axioma ou se era uma teoria que pudesse ser derivada de outros axiomas. [14] Por volta de 1830, no entanto, o húngaro János Bolyai e o russo Nikolai Ivanovich Lobachevsky publicaram separadamente tratados sobre um tipo de geometria que não inclui o postulado paralelo, chamado geometria hiperbólica . Nesta geometria, um número infinito de linhas paralelas passa por um ponto P. Conseqüentemente, a soma dos ângulos em um triângulo é menor que 180 ° e a razão entre a circunferência de um círculo e seu diâmetro é maior que pi . Em 1850, Bernhard Riemann desenvolveu uma teoria equivalente, a geometria elíptica , em que nenhuma linha paralela passa por P. Nessa geometria, a soma dos ângulos dentro de um triângulo é maior que 180 ° e os círculos têm uma proporção entre a circunferência e o diâmetro menor que pi.

Tipo de geometria Número de paralelos Soma dos ângulos em um triângulo Razão da circunferência para o diâmetro em um círculo Curvatura
Hiperbólico Infinidade <180 ° > π <0
Euclidiana 1 180 ° π 0
Elíptico 0 > 180 ° > 0

Gauss e Poincaré

Embora houvesse um consenso prevalecente sobre a visão kantiana na época, uma vez que as geometrias não euclidianas foram formalizadas, alguns começaram a questionar se o espaço físico era curvo. Carl Friedrich Gauss , um matemático alemão, foi o primeiro a considerar uma investigação empírica da estrutura geométrica do espaço. Ele planejou fazer um teste da soma dos ângulos de um enorme triângulo estelar e há relatos de que ele realmente fez um teste de triangulação em pequena escala no topo de montanhas na Alemanha. [15]

Henri Poincaré , um matemático e físico francês do final do século 19 apresentou uma visão geral importante na qual ele tentou demonstrar a futilidade de qualquer tentativa de descobrir por meio de experimentação se a geometria se aplica ao espaço. [16] Ele considerou a difícil situação que os cientistas enfrentariam se estivessem confinados à superfície de uma grande esfera imaginária com propriedades particulares, conhecida como esfera mundial . Neste mundo, presume-se que a temperatura varia de tal forma que todos os objetos se expandem e contraem em proporções semelhantes em diferentes lugares da esfera. Com uma diminuição adequada da temperatura, se os cientistas tentarem usar varetas de medição para determinar a soma dos ângulos internos de um triângulo, eles podem ser enganados ao pensar que habitam um plano em vez de uma superfície esférica. [17] Na verdade, os cientistas não podem, em princípio, determinar se eles habitam um plano ou uma esfera e, Poincaré argumentou, o mesmo é verdade para o debate sobre se o espaço real é euclidiano ou não. Para ele, qual geometria é usada para descrever o espaço é uma questão de convenção. [18] Visto que a geometria euclidiana é mais simples do que a geometria não euclidiana, ele assumiu que a primeira sempre seria usada para descrever a geometria "verdadeira" do mundo. [19]

Einstein

Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo sobre uma teoria da relatividade especial, no qual propôs que o espaço e o tempo são combinados em um único construto conhecido como espaço-tempo . Nessa teoria, a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores, o que implica que dois eventos simultâneos para um determinado observador não serão simultâneos para outro observador se movendo em relação ao primeiro. Além disso, um observador medirá um tique-taque mais lento para um relógio em movimento do que para outro relógio parado do que o próprio observador; os objetos também serão medidos como sendo mais curtos na direção em que estão se movendo do que o observador.

Nos dez anos seguintes, Einstein trabalhou em uma teoria da relatividade geral , que é uma teoria de como a gravidade interage com o espaço-tempo. Em vez de considerar a gravidade como um campo de força atuando no espaço-tempo, Einstein sugeriu que era uma modificação da estrutura geométrica do próprio espaço-tempo. [20] De acordo com a teoria geral, o tempo passa mais devagar em locais com potenciais gravitacionais mais baixos e os raios de luz são curvados na presença de um campo gravitacional. Os cientistas estudaram o comportamento dos pulsares binários confirmando as previsões das teorias de Einstein, e a geometria não euclidiana é geralmente usada para descrever o espaço-tempo.

O tratamento fisico

Na mecânica clássica

O espaço é uma das poucas quantidades fundamentais da física , o que significa que não pode ser definido por outras quantidades, porque nada mais fundamental é conhecido no momento. Semelhante a outras grandezas fundamentais (como tempo e massa ), no entanto, o espaço pode ser explorado por meio de medição e experimentação e pode ser relacionado a outras grandezas fundamentais.

Na relatividade

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Teoria da Relatividade .

Antes de Einstein trabalho 's em física relativista, tempo e espaço eram vistos como dimensões independentes. As descobertas de Einstein mostraram que, devido à relatividade do movimento, nosso espaço e tempo podem ser matematicamente combinados em um único objeto, o espaço-tempo . Distâncias no espaço ou distâncias no tempo , consideradas separadamente, não são invariantes em relação às transformações de Lorentz das coordenadas, mas as distâncias no espaço-tempo de Minkowski o são.

As dimensões de espaço e tempo não devem ser vistas como exatamente equivalentes no espaço-tempo de Minkowski. Você pode se mover livremente no espaço, mas não no tempo. Conseqüentemente, as coordenadas de tempo e espaço são tratadas de forma diferente, tanto na relatividade especial (onde o tempo às vezes é considerado uma coordenada imaginária ) quanto na relatividade geral (onde diferentes sinais são atribuídos aos componentes temporais e espaciais da métrica espaço-tempo ).

Na teoria da relatividade geral de Einstein, o espaço-tempo é hipotetizado como sendo geometricamente distorcido - curvo - próximo a massas gravitacionalmente significativas. [21]

Uma consequência, que resulta das equações da relatividade geral, desse postulado, é a previsão do deslocamento de ondulações espaço-temporais chamadas ondas gravitacionais . Embora evidências indiretas dessas ondas tenham sido encontradas (nos movimentos do sistema binário de Hulse-Taylor , por exemplo), experimentos estão em andamento para tentar medir essas ondas diretamente.

Em cosmologia

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Forma do universo .

A teoria da relatividade leva a questões cosmológicas sobre qual é a forma do universo e de onde veio o espaço. Parece que o espaço foi criado no Big Bang cerca de 13.800 milhões de anos atrás [22] e tem se expandido desde então. A forma geral do espaço não é conhecida, mas sabe-se que está se expandindo muito rapidamente .

A medida do espaço

Medir o espaço físico tem sido uma questão importante por muito tempo. Embora as empresas anteriores tenham desenvolvido seus próprios sistemas de medição, o Sistema Internacional de Unidades (SI) é o sistema mais comum de unidades usado na medição do espaço hoje, e é usado quase universalmente.

Atualmente, o intervalo espacial padrão, denominado metro padrão ou simplesmente metro , é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo exatamente igual a 1/299 792 458 segundos . Essa definição, juntamente com a definição atual de um segundo, é baseada na teoria da relatividade especial , na qual a velocidade da luz desempenha o papel de uma constante fundamental da natureza.

O espaço na geografia e como posse

Geografia é o ramo da ciência que trata da descrição da Terra , usando a consciência espacial para tentar entender por que as coisas existem em lugares específicos. Cartografia é o mapeamento de espaços para permitir uma melhor navegação, para fins de visualização e atua como uma ferramenta de localização. A geoestatística aplica conceitos estatísticos em dados espaciais coletados para criar uma avaliação de fenômenos não observáveis.

O espaço geográfico é frequentemente considerado como terra e pode ter uma relação com o uso da propriedade (onde o espaço é visto como propriedade ou terra). Enquanto algumas culturas afirmam os direitos pessoais em termos de propriedade, outras culturas se identificam com uma abordagem comum de propriedade da terra, enquanto outras culturas, como os aborígines australianos , em vez de fazer cumprir os direitos de propriedade da terra, revertem a relação e acreditam que são realmente propriedade de a terra. O ordenamento do território é um método de regulação do uso do espaço ao nível do solo, com decisões tomadas a nível regional, nacional e internacional. O espaço também pode ter impacto no comportamento humano e cultural, sendo um fator importante na arquitetura , onde terá impacto no design de edifícios e estruturas, e na agricultura .

A propriedade do espaço não se limita à terra. A propriedade do espaço aéreo e da água é decidida internacionalmente. Outras formas de propriedade espacial foram recentemente estabelecidas em outras áreas, por exemplo, para as bandas de rádio do espectro eletromagnético ou para o ciberespaço .

Espaço público é um termo usado para definir áreas de terra que são propriedade coletiva da comunidade e são administradas em seu nome pelos órgãos delegados; tais espaços são abertos a todos, enquanto a propriedade privada é a terra culturalmente possuída por um indivíduo ou empresa para seu próprio uso e prazer.

Espaço abstrato é um termo usado em geografia para indicar um espaço hipotético caracterizado pela homogeneidade completa. Ao modelar atividades ou comportamentos, é uma ferramenta conceitual usada para limitar variáveis ​​estranhas , como o terreno.

Espaço em psicologia

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Os psicólogos começaram a estudar como o espaço é percebido em meados do século XIX. Aqueles que agora estão engajados em tais estudos consideram-no um ramo distinto da psicologia . Os psicólogos que analisam a percepção do espaço estão preocupados em como o reconhecimento da aparência física de um objeto ou suas interações são percebidos, veja, por exemplo, o espaço visual .

Outros temas estudados, mais especializados, incluem a percepção modal e a permanência do objeto . A percepção do meio ambiente é importante por sua necessária relevância para a sobrevivência, especialmente no que diz respeito à caça e autopreservação , bem como simplesmente a ideia de espaço pessoal .

Várias fobias relacionadas ao espaço foram identificadas, incluindo agorafobia (medo de espaços abertos), astrofobia (medo de espaço celestial) e claustrofobia (medo de espaços fechados).

Observação

  1. ^ Espaço arquivado em 23 de julho de 2015 no Internet Archive . na enciclopédia online Treccani.it .
  2. ^ Veja, por exemplo: Pesquisa de matéria escura e grandes dimensões extras em eventos monojet em colisões pp em √s = 7 TeV , CMS Collaboration, JHEP 09 (2012) 094 , doi: 10.1007 / JHEP09 (2012) 094 .
  3. ^ Veja a referência no Timeu de Platão e suas considerações sobre khora. Veja também a Física de Aristóteles, Livro IV, Capítulo 5, sobre a definição de topos . Em relação à concepção de Ibn al-Haytham (século XI) do "lugar geométrico" ou "extensão espacial", que é semelhante às noções extensio e situs de análise desenvolvidas por Descartes e Leibniz no século 17 e sua refutação matemática da definição aristotélica de topos na filosofia natural, ver: Nader El-Bizri, "Em Defesa da Soberania da Filosofia: Crítica de Al-Baghdadi da Geometrização do Lugar de Ibn al-Haytham", Ciências Árabes e Filosofia: Um Jornal Histórico , Vol. 17 (2007 ), pp. 57-80.
  4. ^ AJFrench & MG Ebison, Introdução à Mecânica Clássica , Dodrecht, Springe, 1986, p. 1
  5. ^ Rudolf Carnap, uma introdução à filosofia da ciência , Nova York, Dove, 1995 (edição original: Philosophical Foundations of Physics , Nova York, livros básicos, 1966).
  6. ^ Leibniz, quinta letra a Samuel Clarke, em HG Alexander (ed.), A correspondência de Leibniz-Clarke , Manchester, Manchester University Press, 1956, pp. 55-96.
  7. ^ Ezio Vailati, Leibniz & Clarke: Um estudo de sua correspondência , New York, Oxford University Press, 1997, p. 115
  8. ^ Lawrence Sklar, Filosofia da Física , Boulder, Westview Press, 1992, p. 20
  9. ^ L. Sklar, Filosofia da Física , p. 21
  10. ^ L. Sklar, Filosofia da Física , p. 22
  11. ^ Balde de Newton
  12. ^ R. Carnap, uma introdução à filosofia da ciência , p. 177-178.
  13. ^ John Randolph Lucas , Espaço, tempo e causalidade , p. 149, ISBN 0-19-875057-9 .
  14. ^ R. Carnap, uma introdução à filosofia da ciência , p. 126
  15. ^ R. Carnap, uma introdução à filosofia da ciência , p. 134-136
  16. ^ Max Jammer, conceitos do espaço. The History of Theories of Space in Physics , Cambridge, Harvard University Press, 1954, p. 165
  17. ^ Um meio com um índice de refração variável também pode ser usado para dobrar o caminho da luz e novamente enganar os cientistas se eles tentarem usar a luz para traçar a geometria.
  18. ^ R. Carnap, uma introdução à filosofia da ciência , p. 148
  19. ^ L. Sklar, Philosophy of Physics , p. 57
  20. ^ L. Sklar, Philosophy of Physics , p. 43
  21. ^ John A. Wheeler "A Journey Into Gravity and Spacetime" Scientific American , capítulos 8 e 9 ISBN 0-7167-6034-7
  22. ^ Cosmic Detectives , em esa.int , The European Space Agency (ESA), 2 de abril de 2013. Recuperado em 26 de abril de 2013 .

Bibliografia

  • Brian Greene, The Plot of the Cosmos , Einaudi, 2004, Turin ISBN 88-06-16962-9
  • Delfina Giovannozzi & Marco Veneziani (editado por), Locus-Spatium . XIV Colóquio Internacional do Léxico Intelectual Europeu, (Roma, 3-5 de janeiro de 2013), Florença, Olschki, 2014.

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