Saludos para toda la gran comunidad de Steemit. Particulares saludos para toda la comunidad de #stem-espanol, #steemstem y para todos mis muy apreciados Steemians-Lectores. Continuando con mi deseo de discutir sobre definiciones básicas de la Física, esta vez les presento un post dedicado a la **Definición del Tiempo**, enfocada desde el punto de vista científico.
Continúo mejorando la habilidad de hacer mis propios gifs animados. Esta vez, además de los acostumbrados gifs ilustrativos del contenido, incorporo gifs animados que señalan secciones del texto. Espero que la presentación y el contenido sea de su agrado. @tsoldovieri
Gif animado elaborado por mi persona @tsoldovieri, usando las aplicaciones Paint y PhotoScape - Imagen de fondo de annca en pixabay, gratis para usos comerciales CC0 1.0 Universal (CC0 1.0)
Como muy bien podemos afirmarlo todos ustedes y yo, sin temor a equivocarnos, la noción de tiempo ha estado en la mente de nosotros los seres humanos desde tiempos muy remotos. Yo diría que está desde el momento en que los seres humanos comenzaron a observar que en la naturaleza se dan cambios constantemente. Que existían fenómenos que se daban ante sus sentidos y que estaban en continuo cambio como: los días y las noches, el paso del Sol y la Luna a través del cielo, los ciclos de lluvia y sequía, el crecimiento y transformación de sus propios cuerpos, el nacimiento y la muerte, el orden entre los distintos fenómenos, etc.
El tiempo es algo al cual hacemos referencia innumerables veces a diario. De hecho, al yo estar escribiendo estas palabras no puedo dejar de usar (por más que no quiera usarlos) términos y palabras que estén relacionadas con el tiempo. Es algo ineludible. Estoy seguro que si dejamos aislada a una persona desde su nacimiento en un lugar en la Tierra, lejos de cualquier otro contacto humano (suponiendo que esta persona pueda desarrollarse sin problemas en estas condiciones), durante el transcurso de su crecimiento llegaría a desarrollar su propia noción de lo que es para nosotros el tiempo ¿increíble no? Incluso, parece ser algo que existe independientemente de nuestra existencia, es decir, no es que nosotros lo hayamos creado, sino que únicamente nos damos cuenta de su existencia. Es realmente increíble cómo esta noción aparece en nuestras mentes sin que nosotros podamos evitarlo. Nuevamente, sin temor a equivocarme, de existir civilizaciones extraterrestres (particularmente creo que puede haberlas) estoy completamente seguro que sus integrantes llegarían a desarrollar la noción de tiempo.
Definir el tiempo, mis estimados Steemians-Lectores, no sólo es un problema científico sino, también, un enorme problema filosófico, en el que ninguno de los dos bandos tiene una respuesta definitiva. A mi (y seguramente a todos Ustedes también) me causa mucho asombro cómo algo que utilizamos como profesionales en las distintas ramas de la ciencia (además de en nuestras vidas cotidianas), y particularmente en Física, no sepamos exactamente cómo definirlo. Es decir, lo empleamos en el análisis de los fenómenos y aparece por doquier en las expresiones matemáticas que los describen pero, realmente, no logramos tener una definición concluyente del mismo. Es por esta razón que en Física, al tiempo se le dice que es un **concepto fundamental** así como lo son la materia, el espacio y la carga que, al igual que el tiempo, no se tienen definiciones completamente satisfactorias.
En lo siguiente, antes de mostrarles mi definición de tiempo, les presentaré sucintamente la concepción del tiempo según algunos de los grandes filósofos y científicos de la humanidad:
**Aristóteles 384 a.C.-322 a.C. (ver figura 1 y referencia 15):** mis estimados Steemians, este polímata, filósofo, lógico y científico de la Antigua Grecia, relacionaba el tiempo con el movimiento. Debido a la anterior razón se definía al tiempo como aquella medida del movimiento con relación a lo precedido y lo sucedido. Aristóteles decía que sin movimiento, sin cambio, no hay tiempo, y por tanto definía a éste como la medida del movimiento, agregando la condición de la necesidad de un observador que perciba el cambio: si nadie lo percibe no se puede decir que exista como tal.
Figura 1: Aristóteles 384 a.C. - 322 a.C. - Busto en Calcis, Grecia (De Dimitris Kamaras en Flickr - FUENTE - Licencia Attribution 2.0 Generic CC BY 2.0)
**San Agustín 354 - 430 (ver figura 2)** por otro lado, mis atentos Steemians-Lectores, este filósofo y teólogo relacionaba al tiempo con el alma. Esta relación se debía a que el pasado es algo que ya no existe, el futuro algo que vendrá y el presente es algo que ocurre, transformándose en un recuerdo, es decir, en pasado.
Figura 2: San Agustín 354 - 430 Detalle de San Agustín en una vidriera por Louis Comfort Tiffany en el Lightner Museum (De Daderot en Wikimedia FUENTE - Licencia CC BY-SA 3.0)
**Immanuel Kant 1724 - 1804 (ver figura 3):** para este filósofo prusiano de la Ilustración, el tiempo se entendía como una manera de intuir lo acontecido, virtud que le pertenece exclusivamente al hombre. Dentro de esta concepción, el tiempo no está relacionado con el movimiento ni con lo externo a las personas, si no como algo interior y personal, que permite organizar las experiencias íntimas.
Figura 3: Immanuel Kant 1724 - 1804 (De Liz Mc en Flickr - FUENTE - Licencia Attribution 2.0 Generic CC BY 2.0)
**Sir Isaac Newton 1643 - 1727 (ver figura 4):** para mí, este es el genio más grande de la Física mis estimados Steemians. Para este físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés afirmó que el tiempo es algo puramente objetivo y físico, que fluye sin relación con nada externo. Sería, junto con el espacio, como un gran contenedor del acontecer físico, que fluiría independientemente de si hay cambio o no lo hay, o si hay sujeto o no. Es decir, que el tiempo no es la medida del cambio ni de ninguna otra cosa, aunque vulgarmente utilizamos algún movimiento (el de las agujas de un reloj, el del planeta, el de las estrellas, etc.) que nos dan una noción relativa del tiempo, y que usamos en vano para intentar aprehender lo que en verdad es el tiempo, el tiempo absoluto.
Figura 4: Sir Isaac Newton 1643 - 1727 (De Galerie des Hommes illustres en Flickr - FUENTE - Licencia Attribution 2.0 Generic CC BY 2.0)
Este genio, en su obra **Principios Matemáticos de la Filosofía Natural 1687** (ver figura 5 y referencia 14), distingue el tiempo absoluto y verdadero, del relativo y vulgar:
Figura 5: Principios Matemáticos de la Filosofía Natural (De Andrew Dunn en Wikimedia FUENTE - Licencia CC BY-SA 2.0)
>En cuanto al tiempo, espacio, lugar y movimiento, son de sobra conocidos para todos. Hay que señalar, sin embargo, que el vulgo no concibe estas magnitudes si no es con respecto a lo sensible. De ello se originan ciertos prejuicios para cuya destrucción conviene que las distingamos en absolutas y relativas, verdaderas y aparentes, matemáticas y vulgares. El tiempo absoluto, verdadero y matemático en sí y por su naturaleza y sin relación a algo externo, fluye uniformemente, y por otro nombre se llama duración; el relativo, aparente y vulgar, es una medida sensible y externa de cualquier duración, mediante el movimiento (sea la medida igual o desigual) y de la que el vulgo usa en lugar del verdadero tiempo; así, la hora, el día, el mes, el año.
**Gottfried Wilhelm Leibniz 1646 - 1716 (ver figura 6):** mis estimados Steemians-Lectores, este filósofo, matemático, lógico, teólogo, jurista, bibliotecario y político alemán, estuvo enfrentado con Newton por varios motivos, como fue la disputa por quién había descubierto primero el Cálculo Infinitesimal y otros aspectos físicos y filosóficos interesantes, como la naturaleza del tiempo y el espacio. Se encargó de reducir toda la concepción newtoniana del tiempo hasta el absurdo, adelantándose tres siglos, a la concepción del tiempo mostrada en la muy famosa Teoría de la Relatividad de Albert Einstein.
Figura 6: Gottfried Wilhelm Leibniz 1646 - 1716 (De Universitätsbibliothek Leipzig en Flickr - FUENTE - Public Domain Mark 1.0)
Para Leibniz el tiempo es algo puramente relativo, ideal, relacionalista y local. No es que haya un ritmo universal de tiempo; el tiempo es local en cada acontecimiento. Lo cual quiere decir, mis Steemians-Lectores, que el tiempo no es independiente de las cosas materiales, sino todo lo contrario: sin materia no hay sucesos, sin sucesos no hay tiempo.
**Albert Einstein 1879 - 1955 (ver figura 7):** ¿quién no conoce del gran físico alemán Albert Einstein mis Steemians-Lectores? Este, sin duda alguna, fue uno de los científicos más mediáticos. Es el estereotipo del científico loco 😁.
Figura 7: Albert Einstein 1879 - 1955 (De GETaiwan NTU en Flickr - FUENTE - Public Domain Mark 1.0)
Steemians, para Einstein el tiempo es relativo, al igual que para Leibniz, pero por otras razones muy distintas. La relatividad del tiempo es consecuencia directa de que la velocidad de la luz en el vacío es constante no importando el sistema de referencia donde ésta se mida, como él mismo lo postula en su famosa Teoría de La Relatividad (Especial y General). En esta teoría el tiempo está íntimamente ligado al tiempo en el denominado Espacio-Tiempo, a diferencia de la Teoría Newtoniana donde el tiempo es un parámetro aparte a las coordenadas que definen el espacio.
Estimados Steemians, en la Teoría de la Relatividad Especial el tiempo se dilata mientras nos movemos a una velocidad cada vez más cercana a la luz. Es muy fácil visualizarlo. Les pido a todos que imaginemos, por un momento, que tenemos la habilidad de poder observar un destello de luz que rebota de aquí para allá entre un par de espejos paralelos, de forma análoga a como lo hace una pelota de goma que rebota entre el piso y el techo. Si la distancia entre los espejos es fija, ese arreglo forma un reloj de luz, porque los viajes de ida y vuelta del destello tardan intervalos de tiempo iguales, como les muestro en la figura 8.
Figura 8: Reloj de luz - El tiempo de subida es igual al tiempo de bajada (Gif animado realizado por mi persona @tsoldovieri, usando las aplicaciones Paint y PhotoScape)
Imaginemos todos ahora que el reloj de luz está dentro de un cohete espacial, cuyas paredes supondremos transparentes y que les muestro en la figura 9. Supongamos todos ahora que el cohete se desplaza en línea recta con una rapidez muy grande, por ejemplo, a la mitad de la velocidad de la luz (la velocidad de la luz en el vacío es aproximadamente 300000 Km/s). El astronauta que viaja en el interior del cohete observará que el destello se refleja en línea recta, de arriba abajo entre los dos espejos, igual que si la nave estuviera en reposo. No se produce nada extraño hasta aquí.
Figura 9: Punto de vista del astronauta - El tiempo de subida es igual al tiempo de bajada (Gif animado realizado por mi persona @tsoldovieri, usando las aplicaciones Paint y PhotoScape. El astronauta es de Pixabay ENLACE, licencia libre CC0 Creative Commons)
Mis Steemians-Lectores, imaginemos ahora que uno de nosotros está parado sobre la Tierra cuando la nave pasa frente a nosotros, yo por ejemplo. Todo es muy distinto desde mi sistema de referencia (el cual está fijo en la Tierra), porque en éste yo no observaría la trayectoria de la luz como un sencillo movimiento de subida y de bajada. Debido a que cada destello se mueve en sentido horizontal mientras se mueve verticalmente entre los dos espejos, observaría que describe una trayectoria diagonal, como les muestro en la figura 10. Se puede observar fácilmente que el destello de luz recorre una distancia considerablemente mayor al hacer el viaje redondo entre los espejos que la que recorre en el sistema de referencia del astronauta (que está fijo en el cohete). Como la rapidez de la luz es igual en todos los sistemas de referencia, el destello de luz visto desde mi sistema de referencia debe tardar un tiempo correspondientemente mayor entre los espejos que en el sistema de referencia del astronauta. Esto último se desprende de la definición de la rapidez que, como sabemos, es la distancia dividida entre el tiempo. La mayor distancia diagonal debe dividirse en un intervalo de tiempo correspondientemente mayor, para así dar como resultado un valor constante para la rapidez de la luz. A este "estiramiento"
del tiempo se le denomina **Dilatación del Tiempo**. Al tiempo medido por el astronauta, que es comóvil con el reloj de luz (se mueven juntos a la misma velocidad), se le denomina **Tiempo Propio**.
Figura 10: Punto de vista del observador parado sobre la Tierra - El tiempo de subida más el tiempo de bajada es mayor que el medido por el astronauta (Gif animado realizado por mi persona @tsoldovieri, usando las aplicaciones Paint y PhotoScape)
La expresión matemática que dan cuenta de la dilatación del tiempo es dada por,
Dilatación del Tiempo
donde  es el tiempo propio (el medido por un observador comóvil),  es el tiempo dilatado o "estirado" (el medido por el observador en reposo),  es la velocidad del sistema de referencia en movimiento (en el ejemplo es el fijado al cohete) y  es la velocidad de la luz.
Figura 11: Dilatación del tiempo (Gif animado realizado por mi persona @tsoldovieri, usando los screen beans de Word y las aplicaciones Paint y PhotoScape)
Es realmente fácil notar, a partir de la expresión matemática anterior, que al acercarse  a la velocidad de la luz , el término  se hace cada vez más y más cercano a 1, por lo que  se hace cada vez más y más cercano a 0, provocando finalmente que el cociente  vaya aumentando, como lo ilustro jocosamente 😁 en la figura 11. En la figura 12 les muestro la gráfica de la expresión matemática de la dilatación del tiempo, donde se ha escogido  y  hasta , es decir, .
Figura 12: Gráfica de la expresión matemática de la dilatación del tiempo (Gif animado realizado por mi persona @tsoldovieri, usando las aplicaciones Maple 18 y PhotoScape)
La dilatación del tiempo trae severas consecuencias sobre la simultaneidad de los eventos pues, si dos eventos son simultáneos en un sistema de referencia, pueden no serlo en otros que se mueven con respecto al primero. Esto es completamente diferente en la Teoría Newtoniana donde, si dos eventos son simultáneos en un sistema de