Espai (física)
L’espai és l’entitat indefinida i il·limitada que conté totes les coses materials . Aquests, amb una extensió, n’ocupen una part i assumeixen una posició a l’espai, que es defineix quantitativament segons els principis de la geometria i qualitativament, basant-se en relacions de proximitat (distància) i mida (petitesa). [1]
Es creu que l’espai físic real és tridimensional , tot i que en la física moderna es considera que aquest espai tridimensional forma part d’un continuum tridimensional anomenat espai-temps , que també inclou el temps . En matemàtiques es poden definir com a " espais " amb un nombre de dimensions fins i tot superior a quatre, i amb estructures subjacents complexes. Fins ara, observacions experimentals confirmen la hipòtesi d’un espai tridimensional fins a dimensions subatòmiques. La física d’alta energia , i en particular els experiments del Gran Col·lisionador d’Hadrons del CERN , busquen possibles manifestacions d’ extra - dimensions a escales subatòmiques [2] .
El concepte d’espai es considera d’importància fonamental per a la comprensió de l’ univers físic. No obstant això, hi ha un desacord continu entre els filòsofs sobre si es tracta d'una entitat, d'una relació entre entitats o d'una part d'un marc conceptual.
Antecedents
Els debats sobre la naturalesa, l’essència i el mode d’existència de l’espai es remunten a l’antiguitat; és a dir, tractats com el Timeu Plató , o de reflexions Sòcrates sobre el que els grecs anomenaven khora (és a dir, "espai"), o la física Aristòtil (Llibre V, Delta) en la definició de topos (és a dir, ubicació), o fins i tot la posterior "concepció geomètrica de lloc" com "extensió de l'espai en tant que" en el Discurs sobre el lloc (Qawl fi a el-Makan), pel segle 11 erudit àrab Alhazen . [3] Moltes d'aquestes qüestions filosòfiques clàssiques van ser discutides al Renaixement i després reformulades al segle XVII , particularment durant el primer desenvolupament de la mecànica clàssica . Segons l'opinió d'Isaac Newton , l'espai era absolut, en el sentit que existia permanentment i independentment de si hi havia matèria o no. [4]
Altres filòsofs naturals , en particular Gottfried Leibniz , van pensar que l'espai era en realitat un conjunt de relacions entre objectes, donades per les seves distàncies i direccions mútues. Al segle XVIII , el filòsof i teòleg George Berkeley va intentar refutar la "visibilitat de la profunditat espacial" en el seu assaig Cap a una nova teoria de la visió . Més tard, el metafísic Immanuel Kant va afirmar que ni l'espai ni el temps es poden percebre empíricament: són elements d'un marc sistemàtic que els humans utilitzen per estructurar totes les experiències. Kant va definir "l'espai" a la seva Crítica de la raó pura com una "forma pura i subjectiva d'intuïció a priori ", per tant com una contribució essencial de les nostres facultats humanes.
Als segles XIX i XX , els matemàtics van començar a examinar geometries no euclidianes , en les quals l'espai es pot descriure com corbat en lloc de pla . Segons la teoria de la relativitat general d’ Albert Einstein , l’espai immers en camps gravitatoris es desvia de l’espai euclidià . [5] Les proves experimentals de relativitat general han confirmat que l'espai no euclidià proporciona un model millor per a la forma de l'espai.
L’espai en filosofia
Leibniz i Newton
Al segle XVII, la filosofia de l’espai i del temps va sorgir com un tema central en l’ epistemologia i la metafísica . Al centre, Gottfried Leibniz , el filòsof-matemàtic alemany, i Isaac Newton , el físic-matemàtic anglès, van formular dues teories oposades sobre què és l'espai. En lloc de ser una entitat que existeix independentment per sota i fora de la matèria , Leibniz creia que l'espai no era res més que el conjunt de relacions espacials entre objectes del món: "l'espai és el que resulta de llocs presos junts". [6] Les regions desocupades són aquelles que poden contenir objectes i, per tant, relacions espacials amb altres llocs. Per a Leibniz, per tant, l’espai era una abstracció idealitzada de les relacions entre subjectes individuals o entre les seves possibles posicions i, per tant, no podia ser contínua , sinó que havia de ser discreta . [7] L' espai es podria pensar d'una manera similar a les relacions entre membres de la família. Tot i que les persones de la família estan relacionades entre si, les relacions no existeixen independentment de les persones. [8] Leibniz va argumentar que l'espai no pot existir independentment dels objectes del món, perquè això implicaria una diferència entre dos universos exactament iguals, a causa de la diferència en la posició del món material en cada univers. Però com que no hi hauria cap manera observacional de distingir aquests universos, segons la identitat dels indiscernibles no hi hauria diferències entre ells. D'acord amb el principi de la raó suficient , qualsevol teoria de l'espai que impliqui més d'un univers possible ha de ser errònia. [9]
Newton pren l’espai com més que un conjunt de relacions entre objectes materials i basa la seva posició en l’ observació i l’ experimentació . Per a un relacionalista no hi pot haver diferència real entre el moviment inercial , en què un objecte viatja amb velocitat constant, i el moviment no inercial , en què la velocitat canvia amb el temps, ja que totes les mesures espacials són relatives a altres objectes i objectes. Però Newton va argumentar que, atès que el moviment no inercial genera forces , l’espai ha de ser absolut. [10] Newton va utilitzar l'exemple de l' aigua en una galleda giratòria per demostrar el seu punt. Una galleda que conté aigua es penja en una corda i es gira; l’aigua té inicialment una superfície plana. Al cap d’un temps, mentre la galleda continua girant, la superfície de l’aigua es torna còncava. Si s’atura la rotació de la galleda, la superfície de l’aigua es manté còncava i continua girant. Per tant, aparentment la superfície còncava no és el resultat del moviment relatiu entre la galleda i l’aigua. [11] En canvi, va argumentar Newton, ha de ser el resultat d'un moviment no inercial en relació amb l'espai mateix. Durant molts segles, l’argument del bucket ha estat una demostració decisiva de que l’espai ha d’existir independentment de la matèria.
Kant
Al segle XVIII, el filòsof alemany Immanuel Kant va desenvolupar una teoria del coneixement , en la qual el coneixement de l’espai pot ser alhora a priori i sintètic . [12] Segons Kant, el coneixement de l'espai és sintètic , ja que les afirmacions sobre l'espai simplement no són certes en virtut del significat de les seves paraules. En la seva obra, Kant rebutja la idea que l'espai ha de ser una substància o una relació. En lloc d'això, arriba a la conclusió que l'espai i el temps no són descoberts pels éssers humans com a característiques objectives del món, sinó que formen part d'un marc sistemàtic essencial per organitzar les nostres experiències. [13]
Geometries no euclidianes i la seva influència
Els elements d’ Euclides contenen cinc postulats que constitueixen la base de la geometria euclidiana . Un d'aquests, el postulat paral·lel, ha estat tema de debat entre matemàtics durant segles. Afirma que en tots els plans en què hi ha una recta L 1 i un punt P no en L 1 , només hi ha una recta L 2 en el pla que passa pel punt P i és paral·lela a la recta L 1 . Fins al segle XIX, pocs dubtaven de la veritat del postulant; en canvi, el debat es va centrar en si era necessari com a axioma o si era una teoria que es pogués derivar d'altres axiomes. [14] Al voltant de 1830, però, l' hongarès János Bolyai i el rus Nikolai Ivanovich Lobachevsky van publicar per separat tractats sobre un tipus de geometria que no inclou el postulat paral·lel, anomenat geometria hiperbòlica . En aquesta geometria, un nombre infinit de línies paral·leles travessen un punt P. En conseqüència, la suma dels angles d'un triangle és inferior a 180 ° i la proporció de la circumferència d'un cercle al seu diàmetre és superior a pi . El 1850, Bernhard Riemann va desenvolupar una teoria equivalent, la geometria el·líptica , en la qual no passen línies paral·leles per P. En aquesta geometria, la suma dels angles dins d’un triangle és superior a 180 ° i els cercles tenen una proporció de circumferència amb diàmetre menor que pi.
| Tipus de geometria | Nombre de paral·lels | Suma dels angles d’un triangle | Relació de circumferència amb diàmetre en un cercle | Curvatura |
|---|---|---|---|---|
| Hiperbòlic | Infinit | <180 ° | > π | <0 |
| Euclidiana | 1 | 180 ° | π | 0 |
| El·líptica | 0 | > 180 ° | <π | > 0 |
Gauss i Poincaré
Tot i que en aquell moment hi havia un consens predominant sobre la visió kantiana , un cop formalitzades les geometries no euclidianes, alguns van començar a qüestionar-se si l'espai físic estava corbat. Carl Friedrich Gauss , matemàtic alemany, va ser el primer a considerar una investigació empírica de l'estructura geomètrica de l'espai. Va planejar fer una prova sobre la suma dels angles d'un enorme triangle estel·lar i hi ha informes que realment va fer una prova de triangulació a petita escala als cims de les muntanyes a Alemanya. [15]
Henri Poincaré , matemàtic i físic francès de finals del segle XIX, va introduir una visió general important en la qual va intentar demostrar la inutilitat de qualsevol intent d’esbrinar mitjançant l’experimentació si la geometria s’aplica a l’espai. [16] Va considerar la difícil situació que enfrontarien els científics si estiguessin confinats a la superfície d'una gran esfera imaginària amb propietats particulars, coneguda com a esfera del món . En aquest món s’assumeix que la temperatura varia de manera que tots els objectes s’expandeixen i es contrauen en proporcions similars en diferents llocs de l’esfera. Amb una disminució adequada de la temperatura, si els científics intenten utilitzar varetes de mesura per determinar la suma dels angles interiors d’un triangle, es pot enganyar pensant que habiten un pla en lloc d’una superfície esfèrica. [17] De fet, els científics en principi no poden determinar si habiten un pla o una esfera i, segons Poincaré, el mateix passa amb el debat sobre si l'espai real és euclidià o no. Per a ell, la geometria que s’utilitza per descriure l’espai és una qüestió de convenció. [18] Atès que la geometria euclidiana és més senzilla que la geometria no euclidiana, va suposar que la primera sempre s'utilitzaria per descriure la "veritable" geometria del món. [19]
Einstein
El 1905, Albert Einstein va publicar un article sobre una teoria especial de la relativitat , en el qual proposava que l'espai i el temps es combinen en una sola construcció coneguda com a espai-temps . En aquesta teoria, la velocitat de la llum al buit és la mateixa per a tots els observadors, la qual cosa implica que dos esdeveniments simultanis per a un observador concret no seran simultanis per a un altre observador que es mogui en relació amb el primer. A més, un observador mesurarà un tick més lent per a un rellotge en moviment que per a un altre rellotge aturat que el propi observador; els objectes també mesuraran com a més curts en la direcció en què es mouen que l'observador.
Durant els següents deu anys, Einstein va treballar en una teoria de la relativitat general , que és una teoria de com la gravetat interactua amb l'espai-temps. En lloc de considerar la gravetat com un camp de força que actua en l'espai-temps, Einstein va suggerir que es tractava d'una modificació de l'estructura geomètrica del propi espai-temps. [20] Segons la teoria general, el temps va més lent en llocs amb potencials gravitacionals més baixos i els raigs de llum es corben en presència d'un camp gravitatori. Els científics han estudiat el comportament dels púlsars binaris que confirmen les prediccions de les teories d'Einstein, i normalment es fa servir geometria no euclidiana per descriure l'espai-temps.
El tractament físic
En mecànica clàssica
L’espai és una de les poques quantitats fonamentals de la física , cosa que significa que no es pot definir per altres quantitats, perquè no se sap res més fonamental en aquest moment. De manera similar a altres magnituds fonamentals (com el temps i la massa ), però, l’espai es pot explorar mitjançant la mesura i l’experimentació, i es pot relacionar amb altres magnituds fonamentals.
En la relativitat
Abans de Einstein treball 's en la física relativista, el temps i l'espai eren vists com a dimensions independents. Els descobriments d'Einstein van demostrar que, a causa de la relativitat del moviment, el nostre espai i temps es poden combinar matemàticament en un sol objecte, l' espai-temps . Les distàncies en l'espai o les distàncies en el temps , considerades per separat, no es troben invariants respecte a les transformacions de coordenades de Lorentz , però sí distàncies en l'espai-temps de Minkowski .
Les dimensions de l'espai i el temps no s'han de veure exactament equivalents en l'espai-temps de Minkowski. Podeu moure’s lliurement per l’espai però no en el temps. Per tant, les coordenades de temps i espai es tracten de manera diferent, tant en la relativitat especial (on el temps de vegades es considera una coordenada imaginària ) com en la relativitat general (on s’assignen diferents signes als components temporals i espacials de la mètrica espai-temps ).
En la teoria de la relativitat general d’Einstein, es planteja la hipòtesi que l’espai-temps està distorsionat geomètricament ( corbat ) a prop de masses gravitacionalment significatives. [21]
Una conseqüència, que resulta de les equacions de la relativitat general, d’aquest postulat, és la predicció del desplaçament de les ondulacions espai-temporals anomenades ones gravitacionals . Tot i que s’han trobat proves indirectes d’aquestes ones (en els moviments del sistema binari Hulse-Taylor , per exemple), s’estan realitzant experiments que intenten mesurar aquestes ones directament.
En cosmologia
La teoria de la relativitat porta a qüestions cosmològiques sobre quina és la forma de l'univers i d'on va sorgir l'espai. Sembla que l'espai es va crear al Big Bang fa uns 13.800 milions d'anys [22] i s'ha anat expandint des de llavors. No es coneix la forma general de l'espai, però se sap que s'està expandint molt ràpidament .
La mesura de l’espai
Mesurar l’espai físic ha estat un tema important durant molt de temps. Tot i que les empreses anteriors havien desenvolupat els seus propis sistemes de mesura, el Sistema Internacional d’Unitats (SI) és el sistema d’ unitats més comú que s’utilitza en la mesura de l’espai avui en dia, i s’utilitza gairebé universalment.
Actualment, l'interval espacial estàndard, anomenat comptador estàndard o simplement mesurador , es defineix com la distància recorreguda per la llum al buit durant un interval de temps exactament igual a 1/299 792 458 segons . Aquesta definició juntament amb la definició actual d’un segon es basa en la teoria especial de la relativitat en què la velocitat de la llum juga el paper d’una constant fonamental de la natura.
L’espai en geografia i com a possessió
La geografia és la branca de la ciència que s’ocupa de descriure la Terra , fent servir la consciència espacial per intentar comprendre per què hi ha coses en llocs específics. La cartografia és la cartografia d’espais per permetre una millor navegació, amb finalitats de visualització i actua com a eina de localització. La geoestadística aplica conceptes estadístics sobre dades espacials recopilades per crear una avaluació de fenòmens no observables.
L'espai geogràfic sovint es considera terra, i pot tenir una relació amb l'ús de la propietat (on l'espai es veu com a propietat o terra). Tot i que algunes cultures afirmen els drets personals en termes de propietat, altres cultures s’identifiquen amb un enfocament comú de propietat de la terra, mentre que altres cultures, com els aborígens australians , en lloc de fer valer els drets de propietat de la terra, reverteixen la relació i creuen que en realitat són propietat de la terra. La planificació del territori és un mètode per regular l’ús de l’espai a nivell de terra, amb decisions preses a nivell regional, nacional i internacional. L'espai també pot tenir un impacte en el comportament humà i cultural, sent un factor important en l' arquitectura , on tindrà un impacte en el disseny d'edificis i estructures i en l' agricultura .
La propietat de l’espai no es limita al terreny. La propietat de l’ espai aeri i de l’ aigua es decideix internacionalment. Recentment s’han establert altres formes de propietat de l’espai en altres àrees, per exemple per a les bandes de ràdio de l’espectre electromagnètic o per al ciberespai .
L’espai públic és un terme que s’utilitza per definir àrees de sòl que són propietat col·lectiva de la comunitat i que són gestionades en nom seu pels òrgans delegats; aquests espais estan oberts a tothom, mentre que la propietat privada és un terreny culturalment propietat d’un particular o empresa per al seu propi ús i plaer.
Espai abstracte és un terme utilitzat en geografia per indicar un espai hipotètic caracteritzat per una completa homogeneïtat. Quan es modelen activitats o comportaments, és una eina conceptual que s’utilitza per limitar variables externes com el terreny.
L’espai en psicologia
Els psicòlegs van començar a estudiar com es percep l’espai a mitjan segle XIX. Aquells que ara es dediquen a aquests estudis el consideren una branca diferent de la psicologia . Els psicòlegs que analitzen la percepció de l’espai es preocupen per com es percep el reconeixement de l’aspecte físic d’un objecte o les seves interaccions; vegeu, per exemple, l’espai visual .
Altres temes més especialitzats estudiats inclouen la percepció amodal i la permanència d'objectes . La percepció de l’ entorn és important per la seva necessària rellevància per a la supervivència, especialment pel que fa a la caça i l’autoconservació , així com simplement a la idea de l’espai personal .
S'han identificat diverses fòbies relacionades amb l'espai, com ara agorafòbia (por als espais oberts), astrofòbia (por a l'espai celeste) i claustrofòbia (por als espais tancats).
Nota
- ^ Space Arxivat el 23 de juliol de 2015 a Internet Archive . a l’enciclopèdia en línia Treccani.it .
- ^ Vegeu per exemple: Cerca de matèria fosca i grans dimensions addicionals en esdeveniments monojet en col·lisions pp a √s = 7 TeV , CMS Collaboration, JHEP 09 (2012) 094 , doi: 10.1007 / JHEP09 (2012) 094 .
- ^ Vegeu la referència al Timeu de Plató i les seves consideracions sobre khora. Vegeu també Física d’ Aristòtil, llibre IV, capítol 5, sobre la definició de topos . Respecte a la concepció d'Ibn al-Haytham (segle XI) del "lloc geomètric" o "extensió espacial", que és similar a les nocions extensio i situs d'anàlisi desenvolupades per Descartes i Leibniz al segle XVII i la seva refutació matemàtica de la definició aristotèlica de topos en filosofia natural, vegeu: Nader El-Bizri, "En defensa de la sobirania de la filosofia: Crítica d’al-Baghdadi sobre la geometria del lloc d’Ibn al-Haytham", Ciències i filosofia àrabs: revista històrica , vol. 17 (2007) ), pàg. 57-80.
- ↑ AJFrench i MG Ebison, Introducció a la mecànica clàssica , Dodrecht, Springe, 1986, pàg. 1.
- ↑ Rudolf Carnap, Una introducció a la filosofia de la ciència , Nova York, Dove, 1995 (edició original: Philosophical Foundations of Physics , Nova York, llibres bàsics, 1966).
- ↑ Leibniz, cinquena carta a Samuel Clarke, a HG Alexander (ed.), The Leibniz-Clarke Correspondence , Manchester, Manchester University Press, 1956, pp. 55-96.
- ↑ Ezio Vailati, Leibniz i Clarke: Un estudi de la seva correspondència , Nova York, Oxford University Press, 1997, pàg. 115.
- ↑ Lawrence Sklar, Filosofia de la física , Boulder, Westview Press, 1992, pàg. 20.
- ↑ L. Sklar, Filosofia de la física , pàg. 21
- ↑ L. Sklar, Filosofia de la física , pàg. 22
- ^ La galleda de Newton
- ↑ R. Carnap, Una introducció a la filosofia de la ciència , pàg. 177-178.
- ↑ John Randolph Lucas , Espai, temps i causalitat , pàg. 149, ISBN 0-19-875057-9 .
- ↑ R. Carnap, Una introducció a la filosofia de la ciència , pàg. 126
- ↑ R. Carnap, Una introducció a la filosofia de la ciència , pàg. 134-136
- ↑ Max Jammer, Conceptes de l'espai. The History of Theories of Space in Physics , Cambridge, Harvard University Press, 1954, pàg. 165
- ^ Un mitjà amb un índex de refracció variable també es podria utilitzar per doblegar el camí de la llum i tornar a enganyar els científics si intenten utilitzar la llum per traçar la geometria.
- ↑ R. Carnap, Una introducció a la filosofia de la ciència , pàg. 148
- ↑ L. Sklar, Filosofia de la física , pàg. 57
- ↑ L. Sklar, Filosofia de la física , pàg. 43
- ↑ John A. Wheeler, "Un viatge cap a la gravetat i l'espai", Scientific American , capítols 8 i 9 ISBN 0-7167-6034-7
- ^ Cosmic Detectives , a esa.int , The European Space Agency (ESA), 2 d'abril de 2013. Consultat el 26 d'abril de 2013 .
Bibliografia
- Brian Greene, La trama del cosmos , Einaudi, 2004, Torí ISBN 88-06-16962-9
- Delfina Giovannozzi i Marco Veneziani (editat per), Locus-Spatium . XIV Col·loqui internacional del lèxic intel·lectual europeu (Roma, 3-5 de gener de 2013), Florència, Olschki, 2014.
Altres projectes
-
La Wikiquote conté cites sobre l'espai -
El Viccionari conté el diccionari lema " espai " -
Wikimedia Commons conté imatges o altres fitxers sobre l' espai
Enllaços externs
- Space , al Diccionari de filosofia , Institut de l’Enciclopèdia Italiana , 2009.
- ( EN ) Space , a Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) Space in Catholic Encyclopedia , Robert Appleton Company.
| Control de l'autoritat | NDL ( EN , JA ) 00574722 |
|---|
