Na física, espaço é uma entidade geométrica na qual os objetos físicos interagem e na qual os eventos que ocorrem têm uma posição e direção.[1] O espaço físico é geralmente concebido como tendo três dimensões lineares, embora os físicos modernos geralmente o considerem, juntamente com o tempo, como parte de um continuum quadridimensional conhecido como espaço-tempo, que na presença de matéria é curvo. Em matemática, são examinados espaços com diferentes números de dimensões e com diferentes estruturas subjacentes. O conceito de espaço é considerado de fundamental importância para a compreensão do universo físico, embora haja divergências contínuas entre os filósofos sobre se é uma entidade, uma relação entre entidades ou parte de uma estrutura conceitual.
Muitas destas questões filosóficas surgiram no século XIX, durante o desenvolvimento inicial da mecânica clássica. Segundo Isaac Newton, o espaço era absoluto, no sentido de que era permanente e existia independentemente da matéria.[2] Por outro lado, filósofos como Gottfried Leibniz pensavam que o espaço era uma coleção de relações entre objetos, dadas pela distância e direção de outro. No século XIX, Immanuel Kant, consistente com a filosofia idealista, descreveu o espaço e o tempo como formas a priori, isto é, existindo apenas na mente humana, e não fora dela, que nos permitem estruturar experiências.
Ao longo dos séculos, os matemáticos começaram a examinar a geometria não-euclidiana, cujo espaço pode ser considerado curvo, em vez de plano. De acordo com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein, o espaço em torno dos campos gravitacionais desvia-se do espaço euclidiano. Testes da relatividade geral confirmaram que o espaço não-euclidiano fornece um modelo melhor para a forma do espaço.
Filosofia do espaço
Leibniz e Newton
No século XIX, a filosofia do espaço e do tempo emergiu como item central na epistemologia e na metafísica. No fundo, Gottfried Leibniz, o filósofo e matemático alemão, e Isaac Newton, o físico e matemático inglês, desenvolveram duas teorias opostas sobre o que é o espaço. Em vez de ser uma entidade que existe independentemente e acima da matéria, Leibniz sustentava que o espaço nada mais é do que uma coleção de relações espaciais entre objetos no mundo: "".[4] Regiões desocupadas são aquelas que conter objetos e, portanto, relações espaciais com outros lugares. Para Leibniz, o espaço era uma abstração idealizada das relações entre entidades individuais ou suas possíveis localizações e não seria então contínuo, mas discreto.[5].
Espaço científico
Introdução
Em geral
Na física, espaço é uma entidade geométrica na qual os objetos físicos interagem e na qual os eventos que ocorrem têm uma posição e direção.[1] O espaço físico é geralmente concebido como tendo três dimensões lineares, embora os físicos modernos geralmente o considerem, juntamente com o tempo, como parte de um continuum quadridimensional conhecido como espaço-tempo, que na presença de matéria é curvo. Em matemática, são examinados espaços com diferentes números de dimensões e com diferentes estruturas subjacentes. O conceito de espaço é considerado de fundamental importância para a compreensão do universo físico, embora haja divergências contínuas entre os filósofos sobre se é uma entidade, uma relação entre entidades ou parte de uma estrutura conceitual.
Muitas destas questões filosóficas surgiram no século XIX, durante o desenvolvimento inicial da mecânica clássica. Segundo Isaac Newton, o espaço era absoluto, no sentido de que era permanente e existia independentemente da matéria.[2] Por outro lado, filósofos como Gottfried Leibniz pensavam que o espaço era uma coleção de relações entre objetos, dadas pela distância e direção de outro. No século XIX, Immanuel Kant, consistente com a filosofia idealista, descreveu o espaço e o tempo como formas a priori, isto é, existindo apenas na mente humana, e não fora dela, que nos permitem estruturar experiências.
Ao longo dos séculos, os matemáticos começaram a examinar a geometria não-euclidiana, cujo espaço pode ser considerado curvo, em vez de plano. De acordo com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein, o espaço em torno dos campos gravitacionais desvia-se do espaço euclidiano. Testes da relatividade geral confirmaram que o espaço não-euclidiano fornece um modelo melhor para a forma do espaço.
Filosofia do espaço
Leibniz e Newton
espaço é aquilo que resulta de lugares tomados em conjunto
poderiam
O espaço poderia ser pensado de forma semelhante às relações entre os membros de uma família. Embora as pessoas de uma família sejam relacionadas entre si, os relacionamentos não existem independentemente das pessoas.[6]
Leibniz argumentou que o espaço não poderia existir independentemente dos objetos no mundo porque isso implicaria uma diferença entre dois universos exatamente iguais, exceto pela localização do mundo material em cada universo. Mas não haveria como distingui-los entre si, pois, de acordo com o princípio da identidade dos indiscerníveis, não haveria diferença real entre eles. De acordo com o princípio da razão suficiente, qualquer teoria do espaço que implique a possibilidade de existência destes dois universos deveria estar incorreta.[7].
Newton considerou o espaço mais do que as relações entre objetos materiais e baseou sua posição na observação e na experiência. Para um relativista pode não haver diferença entre o movimento inercial, no qual os objetos viajam a uma velocidade constante, e o movimento não inercial, no qual a velocidade muda com o tempo, uma vez que todas as medidas espaciais são relativas a outros objetos e aos seus movimentos. Mas Newton argumentou que, uma vez que o movimento não inercial gera forças, ele deve ser absoluto.[8] Ele usou o exemplo da água em um balde giratório para demonstrar seu argumento. A água em um balde (balde) pendurada em uma corda e girando começa em uma superfície plana. Depois de um tempo, à medida que o cubo continua a girar, a superfície da água torna-se côncava. Se a rotação do cubo parar, a superfície da água ainda será côncava enquanto continua a girar. A superfície côncava, portanto, aparentemente não é o resultado do movimento relativo entre o cubo e a água.[9] Em vez disso, argumentou Newton, deve ser o resultado de um movimento não inercial em relação ao próprio espaço. Durante vários séculos, o argumento do cubo foi decisivo para demonstrar que o espaço deve existir independentemente da matéria.
Apesar destas diferenças, tanto para Newton como para Leibniz, o espaço físico poderia ser adequadamente representado por um espaço euclidiano tridimensional. Essa perspectiva mudaria com o advento da teoria geral da relatividade e das teorias da gravidade quântica.
Kant
No século XX, o filósofo alemão Immanuel Kant desenvolveu a teoria do conhecimento na qual o conhecimento sobre o espaço pode ser tanto a priori quanto sintético.[10] De acordo com Kant, o conhecimento sobre o espaço é sintético, na medida em que as afirmações sobre o espaço não são simplesmente verdadeiras em virtude do significado das palavras na afirmação. Em sua obra, Kant rejeitou a visão de que o espaço deve ser uma substância ou relação. Em vez disso, ele concluiu que o espaço e o tempo não são descobertos porque não são características objetivas do mundo, mas realidades a priori que existem apenas em nossas mentes; São propriedades da nossa mente que nos permitem estruturar os elementos da nossa experiência.[11].
Geometrias não euclidianas
Os Elementos de Euclides contêm cinco postulados que são a base da geometria euclidiana. Um deles, o postulado das paralelas, tem sido motivo de debate entre os matemáticos há muitos séculos. Isso postula que em qualquer plano "Plano (geometria)") no qual existe uma linha reta L e um ponto P fora desse L, existe apenas uma linha reta L no plano que passa por esse ponto P e é paralelo a L. Até o século XIX, poucos duvidavam da veracidade desse postulado; apesar do debate centrar-se sobre se era necessário como um axioma, ou se era uma teoria que poderia ser derivada de outros axiomas.[12] Por volta de 1830, o húngaro János Bolyai e o russo Nikolai Ivanovich Lobachevsky publicaram tratados separados sobre um tipo de geometria que não incluía o postulado das paralelas, chamada geometria hiperbólica. Nesta geometria, um número infinito de linhas paralelas passa pelo ponto P. Conseqüentemente, a soma dos ângulos de um triângulo é menor que 180, e a circunferência de um círculo em relação ao seu diâmetro é maior que pi. Na década de 1850, Bernhard Riemann desenvolveu uma teoria equivalente chamada geometria elíptica, na qual nenhuma linha paralela passa por P. Nesta geometria, os ângulos dos triângulos somam mais de 180, e os círculos têm uma relação circunferência-diâmetro menor que pi.
Gauss e Poincaré
Embora houvesse um consenso kantiano predominante na época, uma vez formalizadas as geometrias não euclidianas, alguns começaram a questionar se o espaço físico é curvo ou não. Carl Friedrich Gauss, o matemático alemão, foi o primeiro a considerar uma investigação empírica da estrutura geométrica do espaço. Ele pensou em fazer um teste da soma dos ângulos de um enorme triângulo estelar e há relatos de que ele realmente realizou um teste, em pequena escala, triangulando topos de montanhas na Alemanha.[13].
Henri Poincaré, um matemático e físico francês do século XIX, introduziu uma ideia importante na qual tentou demonstrar a futilidade de qualquer tentativa de descobrir qual geometria se aplica ao espaço por experiência.[14] Na sua opinião, os cientistas enfrentariam uma situação difícil se se limitassem à superfície de uma grande esfera imaginária com propriedades particulares, conhecida como esfera mundial. Neste mundo, a temperatura geralmente varia de forma que todos os objetos se expandem e contraem em proporções semelhantes em diferentes locais da esfera. Com uma queda adequada na temperatura, se os cientistas tentarem usar medidas para determinar a soma dos ângulos de um triângulo, poderão ser levados a pensar erroneamente que habitam um mundo plano, em vez de uma superfície esférica.[15] Na verdade, os cientistas não podem determinar, em princípio, se habitam um mundo plano ou esférico e, sustentou Poincaré, o mesmo se aplica ao debate sobre se o espaço real é euclidiano ou não. Para ele, cuja geometria foi usada para descrever o espaço, era uma questão de convenção.[16] Como a geometria euclidiana é mais simples que a não-euclidiana, ele assumiu que a primeira é sempre usada para descrever a "verdadeira" geometria do mundo.[17]
A. Einstein
Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo sobre uma teoria da relatividade especial, no qual propunha que o espaço e o tempo fossem combinados numa única construção conhecida como espaço-tempo. Nesta teoria, a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores – o resultado é que dois eventos que parecem simultâneos para um observador específico não serão simultâneos para outro observador se ambos estiverem em movimento um em relação ao outro. Por outro lado, um observador medirá um relógio em movimento para caminhar mais lentamente do que um relógio estacionário em relação a eles; e as medidas dos objetos tendem a diminuir na direção em que se movem em relação ao observador. Nesta teoria, o espaço e o tempo são relativos ao observador, cada observador mede diferentes distâncias e tempos, embora exista uma forma objetiva de relacionar as medidas de diferentes observadores de forma consistente e sem violações da causalidade física "Causalidade (física)"). No entanto, a teoria da relatividade especial não estava completa, porque não conseguia descrever bem os fenómenos gravitacionais, nem a teoria newtoniana da gravidade era consistente, pelo que Einstein procurou uma teoria relativística mais geral.
Nos dez anos seguintes, Einstein trabalhou em uma teoria geral da relatividade, que descreve como a gravidade interage adequadamente com o espaço-tempo, do ponto de vista macroscópico. Dentro desta teoria, a gravidade, em vez de ser um campo de forças que atuam no espaço-tempo, é um efeito colateral da estrutura geométrica não planar do espaço-tempo.[18] Esta teoria teve a vantagem de explicar naturalmente porque a massa inercial e a massa gravitacional eram exactamente iguais, coincidiu com as previsões newtonianas nos casos em que isto era aplicável e também previu novos fenómenos como o avanço do periélio de Mercúrio. Além disso, a teoria faz outras previsões, atualmente bem verificadas: o tempo passa mais devagar em locais com menor potencial gravitacional e os raios de luz são desviados na presença de um campo gravitacional. Os cientistas estudaram o comportamento dos pulsares binários, confirmando as previsões das teorias de Einstein, e a geometria não euclidiana é geralmente usada para descrever o espaço-tempo.
J. Wheeler
A teoria quântica de campos comum descreve formalmente a interação entre partículas e campos quânticos em um espaço-tempo plano, como o da relatividade especial. No entanto, a teoria quântica de campos, tal como a teoria da relatividade geral, é incompleta ou, na melhor das hipóteses, uma aproximação razoável em certos contextos, mas para descrever qualquer fenómeno físico com precisão, particularmente o início do Big Bang ou singularidades espaço-temporais dentro de buracos negros, seria necessária uma teoria quântica da gravidade.
Atualmente, não existe uma teoria da gravidade completa e consistente que descreva simultaneamente fenômenos quânticos e gravitacionais em situações de curvaturas espaço-temporais muito elevadas. A busca por tal teoria tem sido intensa nas últimas décadas, e há a convicção de que é necessário um tipo diferente de descrição quântica do espaço-tempo. O raciocínio que deu origem ao embrião dessas ideias levou à proposta do conceito de espuma quântica como uma descrição aproximada do que seria um espaço-tempo quântico. A ideia original deve-se a John Wheeler, que a concebeu em 1955. Ninguém conseguiu formular uma teoria matematicamente completa e consistente baseada na noção de espuma quântica que possa resolver os problemas da teoria quântica de campos na presença de campos gravitacionais fortes.
Matemática
Contenido
En la matemática moderna los espacios matemáticos están definidos como conjuntos con alguna estructura añadida. Con frecuencia se describe como los diferentes tipos de variedades "Variedad (matemática)"), que son espacios que se aproximan al espacio euclídeo, cuyas sus propiedades se definen en gran medida por la conexión local de los puntos que se encuentran en cada una de ellas. Sin embargo, hay muchos objetos matemáticos diversos que son llamados espacios. Por ejemplo, los espacios de funciones en general no tienen estrecha relación con el espacio euclídeo.
Geometria
A geometria clássica foi um dos primeiros desenvolvimentos na matemática que procurou capturar e formalizar a noção intuitiva de espaço físico. A geometria provavelmente se originou em problemas práticos relacionados ao levantamento topográfico.
Espaços vetoriais
Um refinamento da geometria clássica consistiu em definir a estrutura do espaço vetorial normado com base nas propriedades particulares do espaço euclidiano. Nesse espaço, distâncias (e, portanto, áreas ou volumes) podem ser definidas e outras noções métricas podem ser formalizadas.
Espaços topológicos
Outra forma de estender a noção de espaço geométrico é focar nas propriedades de adjacência, conexão, limite, continuidade, caráter limitado, compacidade, etc. Nessas noções as distâncias não são importantes, então a topologia de alguma forma representa as propriedades independentes das magnitudes métricas.
Física
Mecânica clássica
O espaço é uma das poucas quantidades fundamentais da física, no sentido de que não pode ser definido através de outras quantidades físicas fundamentais, visto que nada mais fundamental se conhece atualmente. Por outro lado, pode estar relacionado a outras magnitudes fundamentais. Assim, como outras quantidades fundamentais (como tempo e massa), o espaço pode ser explorado através de medição e experimentação.
Astronomia
Astronomia é a ciência relacionada à observação, análise e medição de objetos no espaço sideral.
Mecânica relativística
Antes do trabalho de Einstein em física relativística, o espaço e o tempo eram vistos como dimensões independentes. As descobertas de Einstein mostraram que estes podem ser combinados matematicamente em um objeto chamado espaço-tempo. Acontece que as distâncias no espaço ou no tempo separadamente não são invariantes em relação à Transformação de Coordenadas de Lorentz, mas as distâncias no espaço-tempo de Minkowski estão acima dos intervalos do espaço-tempo; o que justifica o nome.
Além disso, as dimensões de tempo e espaço não devem ser vistas como equivalentes exatos no espaço-tempo de Minkowski. Pode-se mover-se livremente no espaço, mas não no tempo. Assim, as coordenadas de tempo e espaço são tratadas de forma diferente na relatividade especial (onde o tempo é por vezes considerado uma coordenada imaginária) e na relatividade geral (onde são feitos diferentes usos para os componentes espaciais e temporais da métrica espaço-temporal).
Além disso, na teoria da relatividade geral de Einstein, postula-se que o espaço-tempo é geometricamente distorcido (curvo) perto de massas gravitacionalmente significativas.[21].
Existem experimentos em andamento para tentar medir diretamente as ondas gravitacionais. Estas são essencialmente soluções para as equações da relatividade geral, que descrevem ondas do espaço-tempo em movimento. Evidência indireta disso foi encontrada no movimento dos sistemas binários Hulse-Taylor.
Cosmologia
A teoria da relatividade leva à questão cosmológica de qual é a forma do universo e de onde vem o espaço. Parece que o espaço foi criado no Big Bang e se expandiu desde então. A forma geral do espaço não é conhecida, sabe-se que o espaço se expandiu muito rapidamente devido à inflação cósmica. Alan Guth, conhecido por sua Teoria da Inflação, apresentou as primeiras ideias em um seminário no Stanford Linear Accelerator Center em 23 de janeiro de 1980.
Gravidade Quântica
O primeiro físico a perceber que a mecânica quântica deve envolver mudanças na estrutura do espaço-tempo numa escala muito pequena foi Matvei Bronstein na década de 1930. A compreensão da criação de pares partícula-antipartícula levou à compreensão de que em escalas muito pequenas da ordem do comprimento de Planck o espaço-tempo teria que diferir marcadamente do modelo de variedade diferenciável usado na teoria da relatividade geral. Atualmente (2025) não existe uma teoria exata e completa da gravidade quântica, ou seja, não existe uma teoria quântica de campo para o campo gravitacional, embora sejam intuídas algumas das consequências que tal teoria teria para a estrutura do espaço-tempo. A intuição da maioria dos físicos atuais é que, em uma escala muito pequena, o espaço-tempo poderia estar “zumbido” com partículas e antipartículas virtuais que fazem o espaço-tempo, em uma escala muito pequena, parecer uma espuma quântica aleatória, altamente irregular e mutável.
Medição espacial
Medir o espaço físico é importante há muito tempo. Embora as sociedades anteriores tivessem desenvolvido sistemas de medição, o Sistema Internacional de Unidades (SI), é agora o mais comumente utilizado na medição do espaço e é quase universalmente utilizado na ciência.
Atualmente, o intervalo espacial padrão, denominado metro padrão ou simplesmente metro, é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo durante um intervalo de exatamente 1/299.792.458 de segundo. Esta definição, juntamente com a definição atual de segunda, baseia-se na teoria da relatividade especial, na qual a velocidade da luz desempenha o papel de uma constante fundamental da natureza.
Geografia
A geografia é o ramo da ciência preocupado em identificar e descrever a Terra, utilizando a consciência espacial para tentar compreender por que as coisas existem em lugares específicos. Mapeamento é a alocação de espaços para permitir uma melhor navegação, para fins de visualização e para atuar como dispositivo de localização. A geoestatística usa conceitos estatísticos para coletar dados espaciais para criar uma estimativa dos fenômenos observados.
O espaço geográfico é normalmente considerado como o terreno passível de apropriação (nesse caso é visto como uma fazenda, lote ou território). Enquanto algumas culturas baseiam as suas leis na propriedade privada do espaço, outras identificam-se com abordagens comunitárias à propriedade da terra, enquanto outras, como os aborígenes australianos, em vez de considerarem a terra como propriedade, invertem a relação e consideram-se propriedade da terra que habitam.
A propriedade do espaço não se restringe à terra. A propriedade do espaço aéreo e das águas internacionais é decidida internacionalmente. Outras formas de propriedade foram recentemente estabelecidas noutros espaços; por exemplo, as faixas de radiofrequência do espectro eletromagnético ou do ciberespaço.
O espaço público é o local onde qualquer pessoa tem o direito de circular, ao contrário dos espaços privados, onde a passagem pode ser restrita, geralmente por propriedade privada, reserva governamental ou outros critérios. Portanto, é aquele espaço de propriedade pública, domínio e uso público.
Psicologia
Os psicólogos começaram a estudar como percebemos o espaço em meados do século. Tudo o que diz respeito a esses estudos é agora um ramo da psicologia. Os psicólogos analisam a percepção do espaço no que se refere à forma como reconhecemos um objeto físico ou percebemos suas interações.
Estudos mais especializados incluem percepção amodal e permanência de objetos. A percepção do entorno é importante pela sua relevância necessária à sobrevivência, principalmente no que diz respeito à caça e à autopreservação, bem como à ideia de espaço pessoal.
Foram encontradas fobias relacionadas ao espaço, incluindo agorafobia (medo de espaços abertos), astrofobia (medo do espaço celestial) e claustrofobia (medo de espaços fechados).
[10] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 177-178.
[11] ↑ Lucas, John Randolph. Space, Time and Causality. p. 149.
[12] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 126.
[13] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 134-136.
[14] ↑ Jammer, M, Concepts of Space, p. 165.
[15] ↑ Un medio con un ídice de refracción variable puede incluso usarse para doblar la trayectoria de la luz y nuevamente engañar a los científicos si tratan de utilizar la luz para trazar su geometría.
[16] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 148.
[21] ↑ capítulos 8 y 9- John A. Wheeler "A Journey Into Gravity and Spacetime" Scientific American ISBN 0-7167-6034-7.
No século XIX, a filosofia do espaço e do tempo emergiu como item central na epistemologia e na metafísica. No fundo, Gottfried Leibniz, o filósofo e matemático alemão, e Isaac Newton, o físico e matemático inglês, desenvolveram duas teorias opostas sobre o que é o espaço. Em vez de ser uma entidade que existe independentemente e acima da matéria, Leibniz sustentava que o espaço nada mais é do que uma coleção de relações espaciais entre objetos no mundo: "espaço é aquilo que resulta de lugares tomados em conjunto".[4] Regiões desocupadas são aquelas que poderiam conter objetos e, portanto, relações espaciais com outros lugares. Para Leibniz, o espaço era uma abstração idealizada das relações entre entidades individuais ou suas possíveis localizações e não seria então contínuo, mas discreto.[5].
O espaço poderia ser pensado de forma semelhante às relações entre os membros de uma família. Embora as pessoas de uma família sejam relacionadas entre si, os relacionamentos não existem independentemente das pessoas.[6]
Leibniz argumentou que o espaço não poderia existir independentemente dos objetos no mundo porque isso implicaria uma diferença entre dois universos exatamente iguais, exceto pela localização do mundo material em cada universo. Mas não haveria como distingui-los entre si, pois, de acordo com o princípio da identidade dos indiscerníveis, não haveria diferença real entre eles. De acordo com o princípio da razão suficiente, qualquer teoria do espaço que implique a possibilidade de existência destes dois universos deveria estar incorreta.[7].
Newton considerou o espaço mais do que as relações entre objetos materiais e baseou sua posição na observação e na experiência. Para um relativista pode não haver diferença entre o movimento inercial, no qual os objetos viajam a uma velocidade constante, e o movimento não inercial, no qual a velocidade muda com o tempo, uma vez que todas as medidas espaciais são relativas a outros objetos e aos seus movimentos. Mas Newton argumentou que, uma vez que o movimento não inercial gera forças, ele deve ser absoluto.[8] Ele usou o exemplo da água em um balde giratório para demonstrar seu argumento. A água em um balde (balde) pendurada em uma corda e girando começa em uma superfície plana. Depois de um tempo, à medida que o cubo continua a girar, a superfície da água torna-se côncava. Se a rotação do cubo parar, a superfície da água ainda será côncava enquanto continua a girar. A superfície côncava, portanto, aparentemente não é o resultado do movimento relativo entre o cubo e a água.[9] Em vez disso, argumentou Newton, deve ser o resultado de um movimento não inercial em relação ao próprio espaço. Durante vários séculos, o argumento do cubo foi decisivo para demonstrar que o espaço deve existir independentemente da matéria.
Apesar destas diferenças, tanto para Newton como para Leibniz, o espaço físico poderia ser adequadamente representado por um espaço euclidiano tridimensional. Essa perspectiva mudaria com o advento da teoria geral da relatividade e das teorias da gravidade quântica.
Kant
No século XX, o filósofo alemão Immanuel Kant desenvolveu a teoria do conhecimento na qual o conhecimento sobre o espaço pode ser tanto a priori quanto sintético.[10] De acordo com Kant, o conhecimento sobre o espaço é sintético, na medida em que as afirmações sobre o espaço não são simplesmente verdadeiras em virtude do significado das palavras na afirmação. Em sua obra, Kant rejeitou a visão de que o espaço deve ser uma substância ou relação. Em vez disso, ele concluiu que o espaço e o tempo não são descobertos porque não são características objetivas do mundo, mas realidades a priori que existem apenas em nossas mentes; São propriedades da nossa mente que nos permitem estruturar os elementos da nossa experiência.[11].
Geometrias não euclidianas
Os Elementos de Euclides contêm cinco postulados que são a base da geometria euclidiana. Um deles, o postulado das paralelas, tem sido motivo de debate entre os matemáticos há muitos séculos. Isso postula que em qualquer plano "Plano (geometria)") no qual existe uma linha reta L e um ponto P fora desse L, existe apenas uma linha reta L no plano que passa por esse ponto P e é paralelo a L. Até o século XIX, poucos duvidavam da veracidade desse postulado; apesar do debate centrar-se sobre se era necessário como um axioma, ou se era uma teoria que poderia ser derivada de outros axiomas.[12] Por volta de 1830, o húngaro János Bolyai e o russo Nikolai Ivanovich Lobachevsky publicaram tratados separados sobre um tipo de geometria que não incluía o postulado das paralelas, chamada geometria hiperbólica. Nesta geometria, um número infinito de linhas paralelas passa pelo ponto P. Conseqüentemente, a soma dos ângulos de um triângulo é menor que 180, e a circunferência de um círculo em relação ao seu diâmetro é maior que pi. Na década de 1850, Bernhard Riemann desenvolveu uma teoria equivalente chamada geometria elíptica, na qual nenhuma linha paralela passa por P. Nesta geometria, os ângulos dos triângulos somam mais de 180, e os círculos têm uma relação circunferência-diâmetro menor que pi.
Gauss e Poincaré
Embora houvesse um consenso kantiano predominante na época, uma vez formalizadas as geometrias não euclidianas, alguns começaram a questionar se o espaço físico é curvo ou não. Carl Friedrich Gauss, o matemático alemão, foi o primeiro a considerar uma investigação empírica da estrutura geométrica do espaço. Ele pensou em fazer um teste da soma dos ângulos de um enorme triângulo estelar e há relatos de que ele realmente realizou um teste, em pequena escala, triangulando topos de montanhas na Alemanha.[13].
Henri Poincaré, um matemático e físico francês do século XIX, introduziu uma ideia importante na qual tentou demonstrar a futilidade de qualquer tentativa de descobrir qual geometria se aplica ao espaço por experiência.[14] Na sua opinião, os cientistas enfrentariam uma situação difícil se se limitassem à superfície de uma grande esfera imaginária com propriedades particulares, conhecida como esfera mundial. Neste mundo, a temperatura geralmente varia de forma que todos os objetos se expandem e contraem em proporções semelhantes em diferentes locais da esfera. Com uma queda adequada na temperatura, se os cientistas tentarem usar medidas para determinar a soma dos ângulos de um triângulo, poderão ser levados a pensar erroneamente que habitam um mundo plano, em vez de uma superfície esférica.[15] Na verdade, os cientistas não podem determinar, em princípio, se habitam um mundo plano ou esférico e, sustentou Poincaré, o mesmo se aplica ao debate sobre se o espaço real é euclidiano ou não. Para ele, cuja geometria foi usada para descrever o espaço, era uma questão de convenção.[16] Como a geometria euclidiana é mais simples que a não-euclidiana, ele assumiu que a primeira é sempre usada para descrever a "verdadeira" geometria do mundo.[17]
A. Einstein
Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo sobre uma teoria da relatividade especial, no qual propunha que o espaço e o tempo fossem combinados numa única construção conhecida como espaço-tempo. Nesta teoria, a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores – o resultado é que dois eventos que parecem simultâneos para um observador específico não serão simultâneos para outro observador se ambos estiverem em movimento um em relação ao outro. Por outro lado, um observador medirá um relógio em movimento para caminhar mais lentamente do que um relógio estacionário em relação a eles; e as medidas dos objetos tendem a diminuir na direção em que se movem em relação ao observador. Nesta teoria, o espaço e o tempo são relativos ao observador, cada observador mede diferentes distâncias e tempos, embora exista uma forma objetiva de relacionar as medidas de diferentes observadores de forma consistente e sem violações da causalidade física "Causalidade (física)"). No entanto, a teoria da relatividade especial não estava completa, porque não conseguia descrever bem os fenómenos gravitacionais, nem a teoria newtoniana da gravidade era consistente, pelo que Einstein procurou uma teoria relativística mais geral.
Nos dez anos seguintes, Einstein trabalhou em uma teoria geral da relatividade, que descreve como a gravidade interage adequadamente com o espaço-tempo, do ponto de vista macroscópico. Dentro desta teoria, a gravidade, em vez de ser um campo de forças que atuam no espaço-tempo, é um efeito colateral da estrutura geométrica não planar do espaço-tempo.[18] Esta teoria teve a vantagem de explicar naturalmente porque a massa inercial e a massa gravitacional eram exactamente iguais, coincidiu com as previsões newtonianas nos casos em que isto era aplicável e também previu novos fenómenos como o avanço do periélio de Mercúrio. Além disso, a teoria faz outras previsões, atualmente bem verificadas: o tempo passa mais devagar em locais com menor potencial gravitacional e os raios de luz são desviados na presença de um campo gravitacional. Os cientistas estudaram o comportamento dos pulsares binários, confirmando as previsões das teorias de Einstein, e a geometria não euclidiana é geralmente usada para descrever o espaço-tempo.
J. Wheeler
A teoria quântica de campos comum descreve formalmente a interação entre partículas e campos quânticos em um espaço-tempo plano, como o da relatividade especial. No entanto, a teoria quântica de campos, tal como a teoria da relatividade geral, é incompleta ou, na melhor das hipóteses, uma aproximação razoável em certos contextos, mas para descrever qualquer fenómeno físico com precisão, particularmente o início do Big Bang ou singularidades espaço-temporais dentro de buracos negros, seria necessária uma teoria quântica da gravidade.
Atualmente, não existe uma teoria da gravidade completa e consistente que descreva simultaneamente fenômenos quânticos e gravitacionais em situações de curvaturas espaço-temporais muito elevadas. A busca por tal teoria tem sido intensa nas últimas décadas, e há a convicção de que é necessário um tipo diferente de descrição quântica do espaço-tempo. O raciocínio que deu origem ao embrião dessas ideias levou à proposta do conceito de espuma quântica como uma descrição aproximada do que seria um espaço-tempo quântico. A ideia original deve-se a John Wheeler, que a concebeu em 1955. Ninguém conseguiu formular uma teoria matematicamente completa e consistente baseada na noção de espuma quântica que possa resolver os problemas da teoria quântica de campos na presença de campos gravitacionais fortes.
Matemática
Contenido
En la matemática moderna los espacios matemáticos están definidos como conjuntos con alguna estructura añadida. Con frecuencia se describe como los diferentes tipos de variedades "Variedad (matemática)"), que son espacios que se aproximan al espacio euclídeo, cuyas sus propiedades se definen en gran medida por la conexión local de los puntos que se encuentran en cada una de ellas. Sin embargo, hay muchos objetos matemáticos diversos que son llamados espacios. Por ejemplo, los espacios de funciones en general no tienen estrecha relación con el espacio euclídeo.
Geometria
A geometria clássica foi um dos primeiros desenvolvimentos na matemática que procurou capturar e formalizar a noção intuitiva de espaço físico. A geometria provavelmente se originou em problemas práticos relacionados ao levantamento topográfico.
Espaços vetoriais
Um refinamento da geometria clássica consistiu em definir a estrutura do espaço vetorial normado com base nas propriedades particulares do espaço euclidiano. Nesse espaço, distâncias (e, portanto, áreas ou volumes) podem ser definidas e outras noções métricas podem ser formalizadas.
Espaços topológicos
Outra forma de estender a noção de espaço geométrico é focar nas propriedades de adjacência, conexão, limite, continuidade, caráter limitado, compacidade, etc. Nessas noções as distâncias não são importantes, então a topologia de alguma forma representa as propriedades independentes das magnitudes métricas.
Física
Mecânica clássica
O espaço é uma das poucas quantidades fundamentais da física, no sentido de que não pode ser definido através de outras quantidades físicas fundamentais, visto que nada mais fundamental se conhece atualmente. Por outro lado, pode estar relacionado a outras magnitudes fundamentais. Assim, como outras quantidades fundamentais (como tempo e massa), o espaço pode ser explorado através de medição e experimentação.
Astronomia
Astronomia é a ciência relacionada à observação, análise e medição de objetos no espaço sideral.
Mecânica relativística
Antes do trabalho de Einstein em física relativística, o espaço e o tempo eram vistos como dimensões independentes. As descobertas de Einstein mostraram que estes podem ser combinados matematicamente em um objeto chamado espaço-tempo. Acontece que as distâncias no espaço ou no tempo separadamente não são invariantes em relação à Transformação de Coordenadas de Lorentz, mas as distâncias no espaço-tempo de Minkowski estão acima dos intervalos do espaço-tempo; o que justifica o nome.
Além disso, as dimensões de tempo e espaço não devem ser vistas como equivalentes exatos no espaço-tempo de Minkowski. Pode-se mover-se livremente no espaço, mas não no tempo. Assim, as coordenadas de tempo e espaço são tratadas de forma diferente na relatividade especial (onde o tempo é por vezes considerado uma coordenada imaginária) e na relatividade geral (onde são feitos diferentes usos para os componentes espaciais e temporais da métrica espaço-temporal).
Além disso, na teoria da relatividade geral de Einstein, postula-se que o espaço-tempo é geometricamente distorcido (curvo) perto de massas gravitacionalmente significativas.[21].
Existem experimentos em andamento para tentar medir diretamente as ondas gravitacionais. Estas são essencialmente soluções para as equações da relatividade geral, que descrevem ondas do espaço-tempo em movimento. Evidência indireta disso foi encontrada no movimento dos sistemas binários Hulse-Taylor.
Cosmologia
A teoria da relatividade leva à questão cosmológica de qual é a forma do universo e de onde vem o espaço. Parece que o espaço foi criado no Big Bang e se expandiu desde então. A forma geral do espaço não é conhecida, sabe-se que o espaço se expandiu muito rapidamente devido à inflação cósmica. Alan Guth, conhecido por sua Teoria da Inflação, apresentou as primeiras ideias em um seminário no Stanford Linear Accelerator Center em 23 de janeiro de 1980.
Gravidade Quântica
O primeiro físico a perceber que a mecânica quântica deve envolver mudanças na estrutura do espaço-tempo numa escala muito pequena foi Matvei Bronstein na década de 1930. A compreensão da criação de pares partícula-antipartícula levou à compreensão de que em escalas muito pequenas da ordem do comprimento de Planck o espaço-tempo teria que diferir marcadamente do modelo de variedade diferenciável usado na teoria da relatividade geral. Atualmente (2025) não existe uma teoria exata e completa da gravidade quântica, ou seja, não existe uma teoria quântica de campo para o campo gravitacional, embora sejam intuídas algumas das consequências que tal teoria teria para a estrutura do espaço-tempo. A intuição da maioria dos físicos atuais é que, em uma escala muito pequena, o espaço-tempo poderia estar “zumbido” com partículas e antipartículas virtuais que fazem o espaço-tempo, em uma escala muito pequena, parecer uma espuma quântica aleatória, altamente irregular e mutável.
Medição espacial
Medir o espaço físico é importante há muito tempo. Embora as sociedades anteriores tivessem desenvolvido sistemas de medição, o Sistema Internacional de Unidades (SI), é agora o mais comumente utilizado na medição do espaço e é quase universalmente utilizado na ciência.
Atualmente, o intervalo espacial padrão, denominado metro padrão ou simplesmente metro, é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo durante um intervalo de exatamente 1/299.792.458 de segundo. Esta definição, juntamente com a definição atual de segunda, baseia-se na teoria da relatividade especial, na qual a velocidade da luz desempenha o papel de uma constante fundamental da natureza.
Geografia
A geografia é o ramo da ciência preocupado em identificar e descrever a Terra, utilizando a consciência espacial para tentar compreender por que as coisas existem em lugares específicos. Mapeamento é a alocação de espaços para permitir uma melhor navegação, para fins de visualização e para atuar como dispositivo de localização. A geoestatística usa conceitos estatísticos para coletar dados espaciais para criar uma estimativa dos fenômenos observados.
O espaço geográfico é normalmente considerado como o terreno passível de apropriação (nesse caso é visto como uma fazenda, lote ou território). Enquanto algumas culturas baseiam as suas leis na propriedade privada do espaço, outras identificam-se com abordagens comunitárias à propriedade da terra, enquanto outras, como os aborígenes australianos, em vez de considerarem a terra como propriedade, invertem a relação e consideram-se propriedade da terra que habitam.
A propriedade do espaço não se restringe à terra. A propriedade do espaço aéreo e das águas internacionais é decidida internacionalmente. Outras formas de propriedade foram recentemente estabelecidas noutros espaços; por exemplo, as faixas de radiofrequência do espectro eletromagnético ou do ciberespaço.
O espaço público é o local onde qualquer pessoa tem o direito de circular, ao contrário dos espaços privados, onde a passagem pode ser restrita, geralmente por propriedade privada, reserva governamental ou outros critérios. Portanto, é aquele espaço de propriedade pública, domínio e uso público.
Psicologia
Os psicólogos começaram a estudar como percebemos o espaço em meados do século. Tudo o que diz respeito a esses estudos é agora um ramo da psicologia. Os psicólogos analisam a percepção do espaço no que se refere à forma como reconhecemos um objeto físico ou percebemos suas interações.
Estudos mais especializados incluem percepção amodal e permanência de objetos. A percepção do entorno é importante pela sua relevância necessária à sobrevivência, principalmente no que diz respeito à caça e à autopreservação, bem como à ideia de espaço pessoal.
Foram encontradas fobias relacionadas ao espaço, incluindo agorafobia (medo de espaços abertos), astrofobia (medo do espaço celestial) e claustrofobia (medo de espaços fechados).
[10] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 177-178.
[11] ↑ Lucas, John Randolph. Space, Time and Causality. p. 149.
[12] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 126.
[13] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 134-136.
[14] ↑ Jammer, M, Concepts of Space, p. 165.
[15] ↑ Un medio con un ídice de refracción variable puede incluso usarse para doblar la trayectoria de la luz y nuevamente engañar a los científicos si tratan de utilizar la luz para trazar su geometría.
[16] ↑ Carnap, R, An introduction to the philosophy of science, p. 148.