La línea de universo (o worldline ) de un objeto es la trayectoria que sigue un objeto en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones . Es un concepto importante de la física moderna , y en particular de la física teórica .
El concepto de "línea mundial" se distingue de conceptos como " órbita " o " trayectoria " (por ejemplo, la órbita de un planeta en el espacio o la trayectoria de un automóvil en una carretera) por la inclusión de la dimensión tiempo , y típicamente abarca una gran área de espacio-tiempo en donde las trayectorias que son rectas perceptualmente se representan como curvas en el espacio-tiempo para mostrar sus estados de posición ( relativamente ) más absolutos, para revelar la naturaleza de la relatividad especial o las interacciones gravitacionales .
La idea de las líneas del universo fue originada por físicos y fue desarrollada por Hermann Minkowski . El término se utiliza ahora con mayor frecuencia en el contexto de las teorías de la relatividad (es decir, la relatividad especial y la relatividad general ).
Una línea de universo de un objeto (generalmente aproximada como un punto en el espacio, por ejemplo, una partícula o un observador) es la secuencia de eventos del espacio-tiempo correspondientes a la historia del objeto. Una línea de universo es un tipo especial de curva en el espacio-tiempo. A continuación se explicará una definición equivalente: Una línea de universo es una curva nula o similar al tiempo en el espacio-tiempo. Cada punto de una línea de universo es un evento que se puede etiquetar con el tiempo y la posición espacial del objeto en ese momento.
Por ejemplo, la órbita de la Tierra en el espacio es aproximadamente un círculo, una curva tridimensional (cerrada) en el espacio: la Tierra regresa cada año al mismo punto en el espacio con respecto al Sol. Sin embargo, llega allí en un momento diferente (más tarde). La línea del universo de la Tierra es, por lo tanto, helicoidal en el espacio-tiempo (una curva en un espacio de cuatro dimensiones) y no regresa al mismo punto.
El espacio-tiempo es la colección de eventos , junto con un sistema de coordenadas continuo y uniforme que identifica los eventos. Cada evento puede etiquetarse con cuatro números: una coordenada de tiempo y tres coordenadas espaciales; por lo tanto, el espacio-tiempo es un espacio de cuatro dimensiones. El término matemático para el espacio-tiempo es una variedad de cuatro dimensiones (un espacio topológico que se asemeja localmente al espacio euclidiano cerca de cada punto). El concepto también se puede aplicar a un espacio de dimensiones superiores. Para facilitar la visualización de cuatro dimensiones, a menudo se suprimen dos coordenadas espaciales. Un evento se representa entonces mediante un punto en un diagrama de Minkowski , que es un plano generalmente trazado con la coordenada de tiempo, digamos , verticalmente, y la coordenada espacial, digamos , horizontalmente. Como lo expresó FR Harvey
Una línea de universo traza la trayectoria de un único punto en el espacio-tiempo. Una lámina de universo es la superficie bidimensional análoga trazada por una línea unidimensional (como una cuerda) que viaja a través del espacio-tiempo. La lámina de universo de una cuerda abierta (con extremos sueltos) es una tira; la de una cuerda cerrada (un bucle) se parece a un tubo.
Una vez que el objeto no se aproxima a un mero punto sino que tiene un volumen extendido, traza no una línea de mundo sino más bien un tubo de mundo.
Una línea o curva unidimensional se puede representar mediante las coordenadas en función de un parámetro. Cada valor del parámetro corresponde a un punto en el espacio-tiempo y al variar el parámetro se traza una línea. Por lo tanto, en términos matemáticos, una curva se define mediante cuatro funciones de coordenadas (donde normalmente denota la coordenada temporal) que dependen de un parámetro . Una cuadrícula de coordenadas en el espacio-tiempo es el conjunto de curvas que se obtiene si tres de las cuatro funciones de coordenadas se establecen en una constante.
A veces, el término línea de universo se utiliza de manera informal para cualquier curva en el espacio-tiempo. Esta terminología causa confusión. Más propiamente, una línea de universo es una curva en el espacio-tiempo que traza la historia (temporal) de una partícula, un observador o un objeto pequeño. Por lo general, se utiliza el tiempo propio de un objeto o de un observador como parámetro de curva a lo largo de la línea de universo.
Una curva que consiste en un segmento de línea horizontal (una línea en un tiempo de coordenadas constante) puede representar una varilla en el espacio-tiempo y no sería una línea de universo en el sentido propio. El parámetro simplemente traza la longitud de la varilla.
Una línea con coordenadas espaciales constantes (una línea vertical utilizando la convención adoptada anteriormente) puede representar una partícula en reposo (o un observador estacionario). Una línea inclinada representa una partícula con una velocidad de coordenadas constantes (cambio constante en la coordenada espacial a medida que aumenta la coordenada temporal). Cuanto más inclinada esté la línea con respecto a la vertical, mayor será la velocidad.
Dos líneas de universo que comienzan por separado y luego se cruzan significan una colisión o un "encuentro". Dos líneas de universo que comienzan en el mismo evento en el espacio-tiempo y luego siguen su propio camino pueden representar, por ejemplo, la descomposición de una partícula en otras dos o la emisión de una partícula por otra.
Las líneas del mundo de una partícula y un observador pueden estar interconectadas con la línea del mundo de un fotón (la trayectoria de la luz) y formar un diagrama que representa la emisión de un fotón por una partícula que posteriormente es observada por el observador (o absorbida por otra partícula).
Las cuatro funciones de coordenadas que definen una línea del universo son funciones de números reales de una variable real y pueden diferenciarse simplemente mediante el cálculo habitual. Sin la existencia de una métrica (esto es importante darse cuenta) uno puede imaginar la diferencia entre un punto en la curva en el valor del parámetro y un punto en la curva un poco (parámetro ) más alejado. En el límite , esta diferencia dividida por define un vector, el vector tangente de la línea del universo en el punto . Es un vector de cuatro dimensiones, definido en el punto . Está asociado con la velocidad tridimensional normal del objeto (pero no es lo mismo) y por lo tanto se denomina velocidad de cuatro dimensiones o en componentes:
de modo que las derivadas se toman en el punto , por lo tanto en .
Todas las curvas que pasan por el punto p tienen un vector tangente, no solo las líneas universales. La suma de dos vectores es nuevamente un vector tangente a alguna otra curva y lo mismo sucede con la multiplicación por un escalar. Por lo tanto, todos los vectores tangentes para un punto p abarcan un espacio lineal , denominado espacio tangente en el punto p. Por ejemplo, tomando un espacio bidimensional, como la superficie (curva) de la Tierra, su espacio tangente en un punto específico sería la aproximación plana del espacio curvo.
Hasta ahora, una línea de universo (y el concepto de vectores tangentes) se ha descrito sin un medio para cuantificar el intervalo entre eventos. Las matemáticas básicas son las siguientes: La teoría de la relatividad especial impone algunas restricciones a las posibles líneas de universo. En la relatividad especial, la descripción del espacio-tiempo se limita a sistemas de coordenadas especiales que no aceleran (y, por lo tanto, tampoco rotan), denominados sistemas de coordenadas inerciales . En tales sistemas de coordenadas, la velocidad de la luz es una constante. La estructura del espacio-tiempo está determinada por una forma bilineal η, que da un número real para cada par de eventos. La forma bilineal a veces se denomina métrica del espacio-tiempo , pero dado que los eventos distintos a veces dan como resultado un valor cero, a diferencia de las métricas en los espacios métricos de las matemáticas, la forma bilineal no es una métrica matemática del espacio-tiempo.
Las líneas de universo de partículas u objetos en caída libre se denominan geodésicas . En la relatividad especial, son líneas rectas en el espacio de Minkowski .
A menudo, las unidades de tiempo se eligen de forma que la velocidad de la luz se represente mediante líneas que forman un ángulo fijo, normalmente de 45 grados, formando un cono con el eje vertical (el del tiempo). En general, las curvas útiles en el espacio-tiempo pueden ser de tres tipos (los otros tipos serían en parte de uno y en parte de otro):
En un evento dado en una línea del mundo, el espacio-tiempo ( espacio de Minkowski ) se divide en tres partes.
Dado que una línea de universo determina un 4-vector de velocidad que es similar al tiempo, la forma de Minkowski determina una función lineal mediante Sea N el espacio nulo de esta funcional lineal. Entonces, N se llama hiperplano simultáneo con respecto a v . La relatividad de la simultaneidad es una afirmación de que N depende de v . De hecho, N es el complemento ortogonal de v con respecto a η. Cuando dos líneas de universo u y w están relacionadas, entonces comparten el mismo hiperplano simultáneo. Este hiperplano existe matemáticamente, pero las relaciones físicas en relatividad involucran el movimiento de información por la luz. Por ejemplo, la fuerza electrostática tradicional descrita por la ley de Coulomb puede representarse en un hiperplano simultáneo, pero las relaciones relativistas de carga y fuerza involucran potenciales retardados .
El uso de líneas de universo en la relatividad general es básicamente el mismo que en la relatividad especial , con la diferencia de que el espacio-tiempo puede ser curvado . Existe una métrica y su dinámica está determinada por las ecuaciones de campo de Einstein y depende de la distribución de masa-energía en el espacio-tiempo. Nuevamente, la métrica define curvas similares a la luz (nulas), similares al espacio y similares al tiempo . Además, en la relatividad general, las líneas de universo incluyen curvas similares al tiempo y curvas nulas en el espacio-tiempo, donde las curvas similares al tiempo caen dentro del cono de luz. Sin embargo, un cono de luz no está necesariamente inclinado a 45 grados con respecto al eje del tiempo. Sin embargo, esto es un artefacto del sistema de coordenadas elegido y refleja la libertad de coordenadas ( invariancia del difeomorfismo ) de la relatividad general. Cualquier curva similar al tiempo admite un observador comóvil cuyo "eje del tiempo" corresponde a esa curva y, dado que ningún observador es privilegiado, siempre podemos encontrar un sistema de coordenadas local en el que los conos de luz estén inclinados a 45 grados con respecto al eje del tiempo. Véase también, por ejemplo, las coordenadas de Eddington-Finkelstein .
Las líneas del mundo de partículas u objetos en caída libre (como planetas alrededor del Sol o un astronauta en el espacio) se denominan geodésicas .
La teoría cuántica de campos, el marco en el que se describe toda la física de partículas moderna, suele describirse como una teoría de campos cuantizados. Sin embargo, aunque no se aprecia ampliamente, se sabe desde Feynman [2] que muchas teorías cuánticas de campos pueden describirse de manera equivalente en términos de líneas de universo. Esto precedió a gran parte de su trabajo [3] sobre la formulación que luego se volvió más estándar. La formulación de la línea de universo de la teoría cuántica de campos ha demostrado ser particularmente fructífera para varios cálculos en teorías de calibración [4] [5] [6] y en la descripción de los efectos no lineales de los campos electromagnéticos. [7] [8]
En 1884, C. H. Hinton escribió un ensayo titulado "¿Qué es la cuarta dimensión?", que publicó como novela científica .
En los primeros tiempos de la relatividad, J. C. Fields, de la Universidad de Toronto, dio una descripción popular de las líneas del mundo humano . Según lo describió el abogado de Toronto Norman Robertson:
Kurt Vonnegut, en su novela Matadero Cinco , describe las líneas de mundo de las estrellas y las personas:
Casi todas las historias de ciencia ficción que utilizan este concepto de forma activa, como para permitir el viaje en el tiempo , simplifican excesivamente este concepto a una línea de tiempo unidimensional para que se ajuste a una estructura lineal, que no se ajusta a los modelos de la realidad. Estas máquinas del tiempo suelen representarse como instantáneas, con su contenido que sale en un momento y llega en otro, pero en el mismo punto geográfico literal en el espacio. Esto se lleva a cabo a menudo sin tener en cuenta un marco de referencia, o con la suposición implícita de que el marco de referencia es local; como tal, esto requeriría una teletransportación precisa, ya que un planeta en rotación, al estar bajo aceleración, no es un marco inercial, o que la máquina del tiempo permanezca en el mismo lugar, con su contenido "congelado".
El autor Oliver Franklin publicó en 2008 una obra de ciencia ficción titulada World Lines en la que relata una explicación simplificada de la hipótesis para los profanos. [11]
En el cuento Life-Line , el autor Robert A. Heinlein describe la línea del mundo de una persona: [12]
El término se utiliza en Los hijos de Matusalén de Heinlein , al igual que en El quincunce del tiempo de James Blish (ampliado a partir de "Beep").
Una novela visual llamada Steins;Gate , producida por 5pb. , cuenta una historia basada en el cambio de líneas de mundo. Steins;Gate es parte de la serie " Science Adventure ". Las líneas de mundo y otros conceptos físicos como el Mar de Dirac también se utilizan a lo largo de la serie.
La novela Anathem de Neal Stephenson implica una larga discusión sobre líneas de mundo durante una cena en medio de un debate filosófico entre el realismo platónico y el nominalismo .
Absolute Choice representa diferentes líneas de mundo como una subtrama y un dispositivo de ambientación.
Una armada espacial que intenta completar un camino temporal (casi) cerrado como maniobra estratégica constituye el telón de fondo y el principal recurso argumental de "Singularity Sky" de Charles Stross .