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. 311v2q
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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.
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 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 a a tratar a velocidade da luz como a entidade física absoluta, invariante, e não mais o tempo. No lugar das transformações de Galileu, ele a 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 a 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 a não só a ser tratado como algo dependente do referencial como também como algo maleável, a exemplo do tecido de uma cama elástica.
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.
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.
Fonte: Brasil Escola - /fisica/espaco-tempo.htm