Espacio

El espacio es un continuo tridimensional que contiene posiciones y direcciones . ^[1] En la física clásica , el espacio físico suele concebirse en tres dimensiones lineales . Los físicos modernos suelen considerarlo, junto con el tiempo , como parte de un continuo cuatridimensional ilimitado conocido como espacio-tiempo . ^[2] Se considera que el concepto de espacio es de importancia fundamental para comprender el universo físico . Sin embargo, continúa el desacuerdo entre los filósofos sobre si es en sí mismo una entidad, una relación entre entidades o parte de un marco conceptual .

En los siglos XIX y XX los matemáticos comenzaron a examinar geometrías no euclidianas , en las que el espacio se concibe como curvo , en lugar de plano , como en el espacio euclidiano . Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein , el espacio alrededor de los campos gravitatorios se desvía del espacio euclidiano. ^[3] Las pruebas experimentales de la relatividad general han confirmado que las geometrías no euclidianas proporcionan un mejor modelo para la forma del espacio.

Los debates sobre la naturaleza, esencia y modo de existencia del espacio se remontan a la antigüedad; es decir, a tratados como el Timeo de Platón , o Sócrates en sus reflexiones sobre lo que los griegos llamaban khôra (es decir, "espacio"), o en la Física de Aristóteles (Libro IV, Delta) en la definición de topos (es decir, lugar), o en la posterior "concepción geométrica del lugar" como "espacio en cuanto extensión" en el Discurso sobre el lugar ( Qawl fi al-Makan ) del polímata árabe del siglo XI Alhazen . ^[4] Muchas de estas cuestiones filosóficas clásicas se discutieron en el Renacimiento y luego se reformularon en el siglo XVII, particularmente durante el desarrollo temprano de la mecánica clásica .

Isaac Newton consideraba que el espacio era absoluto, que existía de forma permanente e independiente de si había materia en él. ^[5] En contraste, otros filósofos naturales , en particular Gottfried Leibniz , pensaban que el espacio era de hecho una colección de relaciones entre objetos, dadas por su distancia y dirección entre sí. En el siglo XVIII, el filósofo y teólogo George Berkeley intentó refutar la "visibilidad de la profundidad espacial" en su Ensayo Hacia una nueva teoría de la visión . Más tarde, el metafísico Immanuel Kant dijo que los conceptos de espacio y tiempo no son empíricos derivados de experiencias del mundo exterior, sino que son elementos de un marco sistemático ya dado que los humanos poseen y utilizan para estructurar todas las experiencias. Kant se refirió a la experiencia del "espacio" en su Crítica de la razón pura como una "forma pura a priori de intuición" subjetiva.

Las teorías galileanas y cartesianas sobre el espacio, la materia y el movimiento son la base de la revolución científica , que se cree que culminó con la publicación de los Principia Mathematica de Newton en 1687. ^[6] Las teorías de Newton sobre el espacio y el tiempo lo ayudaron a explicar el movimiento de los objetos. Si bien su teoría del espacio se considera la más influyente en la física, surgió de las ideas de sus predecesores sobre el mismo tema. ^[7]

Como uno de los pioneros de la ciencia moderna , Galileo revisó las ideas establecidas de Aristóteles y Ptolomeo sobre un cosmos geocéntrico . Respaldó la teoría copernicana de que el universo era heliocéntrico , con un Sol estacionario en el centro y los planetas, incluida la Tierra, girando alrededor del Sol. Si la Tierra se movía, la creencia aristotélica de que su tendencia natural era permanecer en reposo estaba en tela de juicio. Galileo quería demostrar, en cambio, que el Sol se movía alrededor de su eje, que el movimiento era tan natural para un objeto como el estado de reposo. En otras palabras, para Galileo, los cuerpos celestes, incluida la Tierra, tenían una tendencia natural a moverse en círculos. Esta visión desplazó otra idea aristotélica: que todos los objetos gravitaban hacia su lugar natural de pertenencia designado. ^[8]

Descartes se propuso reemplazar la cosmovisión aristotélica por una teoría sobre el espacio y el movimiento determinados por leyes naturales . En otras palabras, buscó una base metafísica o una explicación mecánica para sus teorías sobre la materia y el movimiento. El espacio cartesiano tenía una estructura euclidiana : infinito, uniforme y plano. ^[9] Se definía como aquello que contenía materia; por el contrario, la materia, por definición, tenía una extensión espacial, de modo que no existía el espacio vacío. ^[6]

La noción cartesiana de espacio está estrechamente vinculada a sus teorías sobre la naturaleza del cuerpo, la mente y la materia. Es famoso por su "cogito ergo sum" (pienso, luego existo), o la idea de que solo podemos estar seguros del hecho de que podemos dudar, y por lo tanto pensar y, por lo tanto, existir. Sus teorías pertenecen a la tradición racionalista , que atribuye el conocimiento sobre el mundo a nuestra capacidad de pensar en lugar de a nuestras experiencias, como creen los empiristas . ^[10] Postuló una clara distinción entre el cuerpo y la mente, a la que se hace referencia como el dualismo cartesiano .

Siguiendo a Galileo y Descartes, durante el siglo XVII la filosofía del espacio y el tiempo giró en torno a las ideas de Gottfried Leibniz , un filósofo-matemático alemán, e Isaac Newton , quienes propusieron dos teorías opuestas sobre lo que es el espacio. En lugar de ser una entidad que existe independientemente por encima de otra materia, Leibniz sostuvo que el espacio no es más que la colección de relaciones espaciales entre objetos en el mundo: "el espacio es lo que resulta de los lugares tomados en conjunto". ^[11] Las regiones desocupadas son aquellas que podrían tener objetos en ellas, y por lo tanto relaciones espaciales con otros lugares. Para Leibniz, entonces, el espacio era una abstracción idealizada de las relaciones entre entidades individuales o sus posibles ubicaciones y, por lo tanto, no podía ser continuo sino que debía ser discreto . ^[12] El espacio podría pensarse de manera similar a las relaciones entre los miembros de la familia. Aunque las personas de la familia están relacionadas entre sí, las relaciones no existen independientemente de las personas. ^[13] Leibniz argumentó que el espacio no podía existir independientemente de los objetos del mundo porque eso implica una diferencia entre dos universos exactamente iguales excepto por la ubicación del mundo material en cada universo. Pero como no habría forma de observar estos universos, entonces, de acuerdo con la identidad de los indiscernibles , no habría una diferencia real entre ellos. De acuerdo con el principio de razón suficiente , cualquier teoría del espacio que implicara que podrían existir estos dos universos posibles debe ser, por lo tanto, errónea. ^[14]

Newton consideró que el espacio era más que relaciones entre objetos materiales y basó su posición en la observación y la experimentación. Para un relacionista no puede haber una diferencia real entre el movimiento inercial , en el que el objeto viaja con velocidad constante , y el movimiento no inercial , en el que la velocidad cambia con el tiempo, ya que todas las mediciones espaciales son relativas a otros objetos y sus movimientos. Pero Newton argumentó que, dado que el movimiento no inercial genera fuerzas , debe ser absoluto. ^[15] Usó el ejemplo del agua en un cubo giratorio para demostrar su argumento. El agua en un cubo se cuelga de una cuerda y se pone a girar, comienza con una superficie plana. Después de un tiempo, mientras el cubo continúa girando, la superficie del agua se vuelve cóncava. Si se detiene el giro del cubo, la superficie del agua permanece cóncava mientras continúa girando. Por lo tanto, la superficie cóncava aparentemente no es el resultado del movimiento relativo entre el cubo y el agua. ^[16] En cambio, Newton argumentó, debe ser el resultado del movimiento no inercial en relación con el espacio mismo. Durante varios siglos, el argumento del cubo se consideró decisivo para demostrar que el espacio debe existir independientemente de la materia.

En el siglo XVIII, el filósofo alemán Immanuel Kant publicó su teoría del espacio como "una propiedad de nuestra mente" por la cual "nos representamos los objetos como fuera de nosotros, y todos como en el espacio" en la Crítica de la razón pura ^[17]. En su opinión, la naturaleza de los predicados espaciales son "relaciones que sólo se vinculan a la forma de la intuición, y por lo tanto a la constitución subjetiva de nuestra mente, sin la cual estos predicados no podrían vincularse a nada en absoluto". ^[18] Esto desarrolla su teoría del conocimiento en la que el conocimiento sobre el espacio mismo puede ser tanto a priori como sintético . ^[19] Según Kant, el conocimiento sobre el espacio es sintético porque cualquier proposición sobre el espacio no puede ser verdadera simplemente en virtud del significado de los términos contenidos en la proposición. En el contraejemplo, la proposición "todos los hombres solteros son solteros" es verdadera en virtud del significado de cada término. Además, el espacio es a priori porque es la forma de nuestras habilidades receptivas para recibir información sobre el mundo externo. Por ejemplo, una persona sin vista puede percibir atributos espaciales a través del tacto, el oído y el olfato. El conocimiento del espacio en sí es a priori porque pertenece a la constitución subjetiva de nuestra mente como forma o modo de nuestra intuición de los objetos externos.

Los Elementos de Euclides contenían cinco postulados que forman la base de la geometría euclidiana. Uno de ellos, el postulado de las paralelas , ha sido objeto de debate entre los matemáticos durante muchos siglos. Afirma que en cualquier plano en el que haya una línea recta L ₁ y un punto P que no esté en L ₁ , hay exactamente una línea recta L ₂ en el plano que pasa por el punto P y es paralela a la línea recta L ₁ . Hasta el siglo XIX, pocos dudaban de la verdad del postulado; en cambio, el debate se centró en si era necesario como axioma o si era una teoría que podía derivarse de los otros axiomas. ^[20] Sin embargo, alrededor de 1830, el húngaro János Bolyai y el ruso Nikolai Ivanovich Lobachevsky publicaron por separado tratados sobre un tipo de geometría que no incluye el postulado de las paralelas, llamado geometría hiperbólica . En esta geometría, un número infinito de líneas paralelas pasan por el punto P . En consecuencia, la suma de los ángulos de un triángulo es menor que 180° y la razón entre la circunferencia de un círculo y su diámetro es mayor que pi . En la década de 1850, Bernhard Riemann desarrolló una teoría equivalente de geometría elíptica , en la que ninguna línea paralela pasa por P. En esta geometría, los triángulos tienen más de 180° y los círculos tienen una razón entre la circunferencia y el diámetro que es menor que pi .

Aunque en aquella época prevalecía el consenso kantiano, una vez formalizadas las geometrías no euclidianas, algunos empezaron a preguntarse si el espacio físico era curvo o no. Carl Friedrich Gauss , un matemático alemán, fue el primero en plantearse una investigación empírica de la estructura geométrica del espacio. Pensó en hacer una prueba de la suma de los ángulos de un enorme triángulo estelar, y hay informes de que de hecho llevó a cabo una prueba, a pequeña escala, triangulando las cimas de las montañas en Alemania. ^[21]

Henri Poincaré , un matemático y físico francés de finales del siglo XIX, introdujo una idea importante en la que intentó demostrar la inutilidad de cualquier intento de descubrir qué geometría se aplica al espacio mediante experimentos. ^[22] Consideró el predicamento que enfrentarían los científicos si estuvieran confinados a la superficie de una gran esfera imaginaria con propiedades particulares, conocida como un mundo-esfera . En este mundo, se considera que la temperatura varía de tal manera que todos los objetos se expanden y contraen en proporciones similares en diferentes lugares de la esfera. Con una caída adecuada en la temperatura, si los científicos intentan usar varas de medición para determinar la suma de los ángulos de un triángulo, pueden ser engañados y pensar que habitan un plano, en lugar de una superficie esférica. ^[23] De hecho, los científicos no pueden, en principio, determinar si habitan un plano o una esfera y, argumentó Poincaré, lo mismo es cierto para el debate sobre si el espacio real es euclidiano o no. Para él, qué geometría se usaba para describir el espacio era una cuestión de convención . ^[24] Dado que la geometría euclidiana es más simple que la geometría no euclidiana, asumió que la primera siempre se usaría para describir la geometría "verdadera" del mundo. ^[25]

En 1905, Albert Einstein publicó su teoría especial de la relatividad , que condujo al concepto de que el espacio y el tiempo pueden considerarse como una única construcción conocida como espacio-tiempo . En esta teoría, la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, lo que tiene como resultado que dos eventos que parecen simultáneos para un observador en particular no lo serán para otro observador si los observadores se mueven uno con respecto al otro. Además, un observador medirá un reloj en movimiento para que funcione más lentamente que uno que esté estacionario con respecto a él; y se mide que los objetos se acortan en la dirección en la que se mueven con respecto al observador.

Posteriormente, Einstein trabajó en una teoría general de la relatividad , que es una teoría de cómo la gravedad interactúa con el espacio-tiempo. En lugar de ver la gravedad como un campo de fuerza que actúa en el espacio-tiempo, Einstein sugirió que modifica la estructura geométrica del propio espacio-tiempo. ^[26] Según la teoría general, el tiempo transcurre más lentamente en lugares con potenciales gravitacionales más bajos y los rayos de luz se curvan en presencia de un campo gravitacional. Los científicos han estudiado el comportamiento de los púlsares binarios , lo que confirma las predicciones de las teorías de Einstein, y normalmente se utiliza la geometría no euclidiana para describir el espacio-tiempo.

En las matemáticas modernas, los espacios se definen como conjuntos con alguna estructura añadida. Por lo general, son espacios topológicos , en los que se define un concepto de vecindad , frecuentemente por medio de una distancia ( espacios métricos ). Los elementos de un espacio se denominan a menudo puntos , pero pueden tener otros nombres, como vectores en los espacios vectoriales y funciones en los espacios funcionales .

Parte de una serie sobre
Mecánica clásica
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d\mathbf {p} }{dt}}}$ Segunda ley del movimiento
Historia Cronología Libros de texto
Sucursales Aplicado Celestial Continuo Dinámica Cinemática Cinética Estática Mecánica estadística
Fundamentos Aceleración Momento angular Pareja Principio de D'Alembert Energía cinético potencial Fuerza Marco de referencia Marco de referencia inercial Impulso Inercia  / Momento de inercia Masa Potencia mecánica Trabajo mecánico Momento Impulso Espacio Velocidad Tiempo Esfuerzo de torsión Velocidad Trabajo virtual
Formulaciones Leyes del movimiento de Newton Mecánica analítica Mecánica lagrangiana Mecánica hamiltoniana Mecánica de Routh Ecuación de Hamilton-Jacobi Ecuación de movimiento de Appell Mecánica de Koopman-von Neumann
Temas centrales Mojadura Desplazamiento Ecuaciones de movimiento Leyes del movimiento de Euler Fuerza ficticia Fricción Oscilador armónico Marco de referencia inercial  / no inercial Mecánica del movimiento de partículas planas Movimiento  ( lineal ) Ley de gravitación universal de Newton Leyes del movimiento de Newton Velocidad relativa Cuerpo rígido dinámica Ecuaciones de Euler Movimiento armónico simple Vibración
Rotación Movimiento circular Marco de referencia giratorio Fuerza centrípeta Fuerza centrífuga reactivo Fuerza de Coriolis Péndulo Velocidad tangencial Frecuencia rotacional Aceleración angular  / desplazamiento  / frecuencia  / velocidad
Científicos Kepler Galileo Huygens Newton Horrocas Halley Maupertuis Daniel Bernoulli Juan Bernoulli Euler de Alembert Claro Lagrange Laplace Pescado Hamilton Jacobi Cauchy Rutina Liouville Apelar Gibbs Hombre de negocios de Neumann
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El espacio es una de las pocas magnitudes fundamentales de la física , lo que significa que no se puede definir a través de otras magnitudes porque no se conoce nada más fundamental en la actualidad. Por otro lado, se puede relacionar con otras magnitudes fundamentales. Por lo tanto, de manera similar a otras magnitudes fundamentales (como el tiempo y la masa ), el espacio se puede explorar a través de la medición y la experimentación.

Hoy en día, se considera que nuestro espacio tridimensional está integrado en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones , llamado espacio de Minkowski (véase la relatividad especial ). La idea detrás del espacio-tiempo es que el tiempo es hiperbólico-ortogonal a cada una de las tres dimensiones espaciales.

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Antes de los trabajos de Albert Einstein sobre la física relativista, el tiempo y el espacio se consideraban dimensiones independientes. Los descubrimientos de Einstein demostraron que, debido a la relatividad del movimiento, nuestro espacio y tiempo pueden combinarse matemáticamente en un solo objeto : el espacio-tiempo . Resulta que las distancias en el espacio o en el tiempo por separado no son invariantes con respecto a las transformaciones de coordenadas de Lorentz, pero las distancias en el espacio de Minkowski a lo largo de intervalos de espacio-tiempo sí lo son, lo que justifica el nombre.

Además, las dimensiones del tiempo y del espacio no deben considerarse exactamente equivalentes en el espacio de Minkowski. Uno puede moverse libremente en el espacio, pero no en el tiempo. Por lo tanto, las coordenadas del tiempo y del espacio se tratan de manera diferente tanto en la relatividad especial (donde el tiempo a veces se considera una coordenada imaginaria ) como en la relatividad general (donde se asignan signos diferentes a los componentes del tiempo y del espacio de la métrica del espacio-tiempo ).

Además, en la teoría general de la relatividad de Einstein se postula que el espacio-tiempo está geométricamente distorsionado –curvado– cerca de masas gravitacionalmente significativas. ^[27]

Una consecuencia de este postulado, que se desprende de las ecuaciones de la relatividad general, es la predicción de ondulaciones en movimiento del espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales . Si bien se han encontrado evidencias indirectas de estas ondas (en los movimientos del sistema binario Hulse-Taylor , por ejemplo), en las colaboraciones LIGO y Virgo se están realizando experimentos que intentan medir directamente estas ondas . Los científicos de LIGO informaron sobre la primera observación directa de ondas gravitacionales el 14 de septiembre de 2015. ^{[28] [29]}

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La teoría de la relatividad nos lleva a la cuestión cosmológica de qué forma tiene el universo y de dónde proviene el espacio. Parece que el espacio se creó en el Big Bang , hace 13.800 millones de años ^[30] y ha estado expandiéndose desde entonces. No se conoce la forma general del espacio, pero se sabe que se está expandiendo muy rápidamente debido a la inflación cósmica .

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La medición del espacio físico ha sido importante desde hace mucho tiempo. Aunque las sociedades anteriores habían desarrollado sistemas de medición, el Sistema Internacional de Unidades (SI) es ahora el sistema de unidades más común utilizado para medir el espacio y se utiliza casi universalmente.

En la actualidad, el intervalo estándar del espacio, llamado metro estándar o simplemente metro, se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de exactamente 1/299.792.458 de segundo. Esta definición, junto con la actual definición del segundo, se basa en la teoría especial de la relatividad , en la que la velocidad de la luz desempeña el papel de una constante fundamental de la naturaleza.

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La geografía es la rama de la ciencia que se ocupa de identificar y describir lugares de la Tierra , utilizando la conciencia espacial para intentar comprender por qué existen las cosas en lugares específicos. La cartografía es el mapeo de espacios para permitir una mejor navegación, con fines de visualización y para actuar como un dispositivo de localización. La geoestadística aplica conceptos estadísticos a los datos espaciales recopilados de la Tierra para crear una estimación de fenómenos no observados.

El espacio geográfico se considera a menudo como tierra y puede tener una relación con el uso de la propiedad (en el que el espacio se ve como propiedad o territorio). Mientras que algunas culturas afirman los derechos del individuo en términos de propiedad, otras culturas se identificarán con un enfoque comunitario de la propiedad de la tierra, mientras que otras culturas, como los aborígenes australianos , en lugar de afirmar los derechos de propiedad sobre la tierra, invierten la relación y consideran que, de hecho, son dueños de la tierra. La planificación espacial es un método de regulación del uso del espacio a nivel de la tierra, con decisiones tomadas a nivel regional, nacional e internacional. El espacio también puede afectar el comportamiento humano y cultural, siendo un factor importante en la arquitectura, donde afectará el diseño de edificios y estructuras, y en la agricultura.

La propiedad del espacio no se limita a la tierra. La propiedad del espacio aéreo y de las aguas se decide a nivel internacional. Recientemente se han afirmado otras formas de propiedad para otros espacios, por ejemplo, para las bandas de radio del espectro electromagnético o para el ciberespacio .

El espacio público es un término utilizado para definir áreas de tierra de propiedad colectiva de la comunidad y administradas en su nombre por organismos delegados; dichos espacios están abiertos a todos, mientras que la propiedad privada es la tierra culturalmente propiedad de un individuo o empresa, para su propio uso y placer.

El espacio abstracto es un término utilizado en geografía para referirse a un espacio hipotético caracterizado por una homogeneidad total. Al modelar la actividad o el comportamiento, es una herramienta conceptual que se utiliza para limitar las variables extrañas, como el terreno.

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Los psicólogos comenzaron a estudiar la forma en que se percibe el espacio a mediados del siglo XIX. Quienes hoy se dedican a estos estudios lo consideran una rama distinta de la psicología . Los psicólogos que analizan la percepción del espacio se interesan por cómo se percibe el reconocimiento de la apariencia física de un objeto o sus interacciones; véase, por ejemplo, el espacio visual .

Otros temas más especializados que se estudian son la percepción amodal y la permanencia de los objetos . La percepción del entorno es importante debido a su necesaria relevancia para la supervivencia, especialmente en lo que respecta a la caza y la autopreservación , así como simplemente a la idea que uno tiene del espacio personal .

Se han identificado varias fobias relacionadas con el espacio , entre ellas la agorafobia (el miedo a los espacios abiertos), la astrofobia (el miedo al espacio celestial) y la claustrofobia (el miedo a los espacios cerrados).

Se cree que la comprensión del espacio tridimensional en los seres humanos se aprende durante la infancia mediante inferencias inconscientes y está estrechamente relacionada con la coordinación mano-ojo . La capacidad visual para percibir el mundo en tres dimensiones se denomina percepción de profundidad .

El espacio ha sido estudiado en las ciencias sociales desde las perspectivas del marxismo , el feminismo , el posmodernismo , el poscolonialismo , la teoría urbana y la geografía crítica . Estas teorías dan cuenta del efecto de la historia del colonialismo, la esclavitud transatlántica y la globalización en nuestra comprensión y experiencia del espacio y el lugar. El tema ha ganado atención desde la década de 1980, después de la publicación de La producción del espacio de Henri Lefebvre . En este libro, Lefebvre aplica ideas marxistas sobre la producción de mercancías y la acumulación de capital para discutir el espacio como un producto social. Su enfoque está en los procesos sociales múltiples y superpuestos que producen el espacio. ^[31]

En su libro The Condition of Postmodernity, David Harvey describe lo que él llama la " compresión espacio-temporal ". Este es el efecto de los avances tecnológicos y del capitalismo en nuestra percepción del tiempo, el espacio y la distancia. ^[32] Los cambios en los modos de producción y consumo de capital afectan y son afectados por los avances en el transporte y la tecnología. Estos avances crean relaciones a través del tiempo y el espacio, nuevos mercados y grupos de élites ricas en centros urbanos, todo lo cual aniquila las distancias y afecta nuestra percepción de la linealidad y la distancia. ^[33]

En su libro Thirdspace, Edward Soja describe el espacio y la espacialidad como un aspecto integral y descuidado de lo que él llama la "trialéctica del ser", los tres modos que determinan cómo habitamos, experimentamos y entendemos el mundo. Soja sostiene que las teorías críticas en las Humanidades y las Ciencias Sociales estudian las dimensiones históricas y sociales de nuestra experiencia vivida, descuidando la dimensión espacial. ^[34] Se basa en el trabajo de Henri Lefebvre para abordar la forma dualista en que los humanos entienden el espacio, ya sea como material/físico o como representado/imaginado. El "espacio vivido" de Lefebvre ^[35] y el "tercer espacio" de Soja son términos que dan cuenta de las formas complejas en que los humanos entienden y navegan por el lugar, que el "primer espacio" y el "segundo espacio" (los términos de Soja para los espacios materiales e imaginados respectivamente) no abarcan por completo.

El concepto de Tercer Espacio del teórico poscolonial Homi Bhabha es diferente del de Tercer Espacio de Soja, aunque ambos términos ofrecen una manera de pensar más allá de los términos de una lógica binaria . El Tercer Espacio de Bhabha es el espacio en el que existen formas e identidades culturales híbridas. En sus teorías, el término híbrido describe nuevas formas culturales que surgen a través de la interacción entre colonizador y colonizado. ^[36]