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EL GENIO DE. EINSTEIN. EN ASTRONOMIA. JAVIER DE LUCAS. Albert Einstein nació en Ulm, Alemania, en 1879 y murió en Princeton, EE UU, en 1955) . Físico alemán, nacionalizado suizo y, más tarde, estadounidense, ha sido, quizás, el científico más grande de todos los tiempos. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
EL GENIO DE
JAVIER DE LUCAS
EN ASTRONOMIA
Albert Einstein nació en Ulm, Alemania, en 1879 y murió en Princeton, EE UU, en 1955).
Físico alemán, nacionalizado suizo y, más tarde, estadounidense, ha sido, quizás, el científico más grande de todos los tiempos
Cursó la primera enseñanza en el instituto católico de Munich, ciudad a la que se había trasladado su familia cuando él contaba pocos años de edad.
En 1894, su padre, tras un revés en los negocios, marchó a Italia, mientras que Albert permaneció en Alemania para acabar el bachillerato, que concluyó con calificaciones mediocres, salvo en matemáticas.
Más tarde, la familia se trasladó a Suiza, donde ingresó en la Academia Politécnica de la ciudad de Zurich, por la que se graduó en 1900
Albert, ¿dónde estás?
¡Aquí!
Acabados los estudios, y dado que no tenía la nacionalidad suiza, tuvo grandes dificultades para encontrar trabajo, por lo que terminó aceptando, en 1901, un puesto como funcionario en la Oficina Suiza de Patentes de la ciudad de Berna.
Los estudios teóricos que llevaba a cabo mientras tanto dieron sus primeros frutos en 1905, con la publicación de cinco de sus trabajos, todos ellos de gran importancia para el desarrollo de la física del siglo XX
Uno de ellos versaba sobre el efecto fotoeléctrico, según el cual la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente.
Aplicando la hipótesis cuántica formulada por M. Planck cinco años antes, logró dar una explicación satisfactoria del fenómeno, trabajo que fue premiado en 1921 con la concesión del Premio Nobel de Física.
El segundo trabajo, publicado un par de meses después del primero, trataba del movimiento browniano, que es el característico de una partícula en suspensión en un líquido, para el cual ofreció un modelo matemático plausible.
Sin embargo, debe su fama a la formulación de la teoría de la relatividad restringida, basada en los resultados del experimento de Michelson-Morley en cuanto a la detección de diferencias de velocidad de la luz al cambiar de dirección cuando atravesaba el «éter»
Gracias a sus trabajos logró demostrar que a partir de la hipótesis de la constancia de la velocidad de la luz y de la relatividad del movimiento, el experimento podía explicarse en el marco de las ecuaciones de la electrodinámica formuladas por J. C. Maxwell.
Así mismo, demostró que el efecto de contracción de la longitud y el de aumento de la masa pueden deducirse del hecho de que la velocidad de la luz en el vacío es la máxima posible a la cual puede transmitirse cualquier señal.
En el marco de esta teoría, Einstein expuso la relación existente entre la energía (E) y la masa (m) mediante la famosa ecuación: E = mc2, en la que c representa la velocidad de la luz en el vacío.
En 1909 consiguió finalmente, no sin muchos esfuerzos, un puesto de profesor en la Universidad de Zurich.
Su fama, que continuaba creciendo de forma imparable, le llevó en 1913 al Instituto de Física Káiser Guillermo de Berlín.
En plena Primera Guerra Mundial publicó un trabajo definitivo en el que expuso la teoría general de la relatividad (1915), en el cual establecía las ecuaciones que habrían de cambiar la visión del universo y de su evolución
Esta teoría, de la cual la cosmología newtoniana pasa a ser un caso particular, permitió justificar fenómenos como la precesión del perihelio de Mercurio, la deflexión de los rayos de luz por la presencia de grandes concentraciones de masa (comprobada experimentalmente en 1919 durante una expedición de la Royal Society en la que tomó parte sir Arthur Eddington...
...el desplazamiento hacia el rojo del espectro de galaxias lejanas a causa de la presencia de campos gravitatorios intensos, y varios efectos más.
La llegada al poder de Hitler en Alemania coincidió con un ciclo de conferencias que estaba impartiendo en California, por lo que se estableció en Princeton, donde entró a formar parte del Instituto de Estudios Avanzados.
Durante la Segunda Guerra Mundial, y ante la creciente evidencia de que Alemania estaba desarrollando el arma atómica, dirigió una famosa carta al presidente F. D. Roosevelt en la que le urgía a que desarrollase la bomba atómica.
Cuando el Proyecto Manhattan dio finalmente sus frutos, con los bombardeos atómicos sobre Hiroshima y Nagasaki, la magnitud de la devastación le movió a expresar públicamente su rechazo hacia el arma que había contribuido a crear
Los últimos años de su vida los dedicó al desarrollo de una teoría del campo unificado que pudiera hacer compatibles las teorías sobre los fenómenos electromagnéticos y gravitatorios, aunque, al igual que Heisenberg, no llegó a conseguirlo.
Albert Einstein pasó la mayor parte de sus últimos veinticinco años en una búsqueda infructuosa para unificar sus leyes de la relatividad general con las leyes de la mecánica cuántica.
Murió en Princeton, Nueva Jersey, en 1955, a los setenta y seis años de edad
¿Por qué el 2005 fue el Año Mundial de la Física?
• Para conmemorar los cien años
de la publicación, en 1905, de tres trabajos
fundamentales de Albert Einstein.
La Misteriosa Luz
• Dos de los trabajos de Einstein de 1905 tenían que ver con la misteriosa naturaleza de la luz:
1. ¿Es la luz onda o partícula?
2. ¿Es la luz energía o materia?
3. ¿Depende la velocidad de la luz del movimiento del observador?
¿ONDA...
¿ONDA...?
...O PARTICULA?
En unas circunstancias, la luz se comporta como partícula…
Y en otras como onda…
La Relatividad Especial• El último de los
tres artículos de 1905 de Einstein presenta la Relatividad Especial.
• Toda la teoría se basa en aceptar que la velocidad de la luz es constante para cualquier observador, inluso para uno que se mueve respecto a otro.
Experimento de Michelson-Morley
• El interferómetro mide desplazamientos de fase entre los dos brazos
– Si el movimientos de la Tierra afecta el valor de c, se esperan desplazamientos dependientes del tiempo
– No se encontraron desplazamientos significativos
¿Con qué velocidad se mueve la bola?
V = 10 km/s
5 km/s
15 km/s*v = 5 km/s
* Esto es simplemente v+V = 15 km/s
¿A qué velocidad se mueve la luz?
V = 10 km/s
299792 km/s
299792 km/s**
Laser
¡No es a 299802 km/s!
La velocidad de la luz es constante…
V = + u
c = c
Conceptos de Relatividad Especial
• La velocidad de la luz es constante para todos los sistemas inerciales
– “reloj” en el cual la luz se refleja entre espejos paralelos
– tiempo de ida y vuelta tA = 2d/c
– tiempo de ida y vuelta tB = 2dB/c
• pero dB = √(d2 + ¼v2tB2)
• o sea tA2 = tB
2(1 – β2) donde β = v/c• El reloj en movimiento marcha más despacio,
por un factor = (1 – β2)−1/2
– nota: si vamos en el reloj B, vemos al reloj A ir más despacio
d
vt
Reloj estacionario
A
Reloj en movimiento
B
La velocidad de la luz
• Es de 300.000 kilómetros por segundo, extremadamente grande.
La luz da siete
vueltas y media a la Tierra
en un segundo
La luz y las ondas de radio (que son como la luz y se mueven a su velocidad), tardan aproximadamente un segundo en ir de la Luna a la Tierra…
La Relatividad Especial considera el tiempo como la cuarta dimensión
• Newton pensaba que el tiempo fluía independientemente de otros factores. Esto es intuitivamente correcto...pero no cierto.
• En la relatividad se debe pensar en el espacio-tiempo.
Equivalencia energía-masa
• Así como la Relatividad vincula a dos conceptos aparentemente separados, el espacio y el tiempo, también implica que la energía y la materia son equivalentes.
E = mc2
E = mc2
Muchos físicos creen que entienden qué es la luz. Yo he pasado toda mi vida tratando de entenderla y aún no lo logro…
Albert Einstein
NOTICIAS DE PRIMERA PAGINA
¿Más rápido que la luz?
¡NO!
¡La componente a la izquierda se mueve en el cielo más rápido que la luz!
Desplazamiento aparente vt sen
Tiempo aparente
t [1 – (v/c)cos ]
Velocidad aparente
v sen /[1 – (v/c)cos ]
¡puede exceder c!
Se trata de una ilusión relativista…
La componente que se acerca a nosotros no solo parece moverse más rápido sino que parece ser más brillante (en realidad, las dos componentes son iguales).
La componente de la izquierda se mueve en el cielo más rápido y es más brillante.
La Relatividad General
• En 1914, Einstein publica esta teoría que generaliza a marcos de referencia que pueden estar acelerados.
• Esta teoría es muy importante en Astronomía, puesto que nos permite entender objetos como las lentes gravitacionales, los agujeros negros, y la evolución misma del Universo…
Isaac Newton fué el primero en dar una descripción científica de la gravedad
2rGMm
F
Sin embargo, esta fórmula tiene que estar equivocada, porque los fotones tienen m=0, pero si son desviados por la presencia de una masa M, F no es igual a 0.
La materia le dice al espacio cómo curvarse,
el espacio le dice a la materia cómo moverse
EL ESPACIO ES CURVO, LO CURVAN
LAS MASAS
Deflexión de la Luz Estelar Durante un Eclipse
Si deflexión = 1.74 segundos Predicción de la Relatividad General
Si deflexión = 0.87 segundos Predicción newtoniana
Vista a una distancia de 4 km, una moneda de un euro subtiende como un segundo (de arco)
La luz se deflecta de acuerdo a la predicción de la Relatividad General
La “Cruz de Einstein”, un remoto quasar visto a través de una galaxia en la línea de visión.
El “Anillo de Einstein”, dos objetos alineados casi perfectamente.
¿Qué sucede si el fondo es complejo, por ejemplo un cúmulo de galaxias?
UN NUEVO PARADIGMA
Radio de Schwarszchild
Define una región del espacio de la cual nada, ni siquiera la luz, puede salir
Si quisiéramos transformar a la Tierra en un agujero negro...
...habría que comprimirla al tamaño de una canica.
En la actualidad es imposible crear un agujero negro en el laboratorio...
Sin embargo, la naturaleza tenía ya un mecanismo para transformar estrellas en agujeros negros
Las estrellas mantienen su tamaño gracias a un equilibrio de fuerzas...
¿Qué ocurrirá cuando la estrella “muera” y ya no tenga presión que contenga a la gravedad?
CONTRACCION DE ESTRELLA MORIBUNDA
CONTRACCION DE ESTRELLA MORIBUNDA
La “muerte” de una estrella generalmente consiste de la contracción de una parte interna y de la expulsión al medio circundante de una parte externa.
MASA
Y
FINAL
DE
ESTRELLAS
Agujeros negros supermasivos
• Además de los agujeros negros de masa estelar, existen en los centros de las galaxias agujeros negros con masas de millones a miles de millones de veces la masa del Sol.
• No sabemos cómo se forman.
• El más cercano de estos agujeros negros supermasivos está en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea…
De los movimientos de las estrellas cercanas, se infiere una masa de alrededor de tres millones de veces la masa del Sol.
La expansión del Universo
• Finalmente, la expansión misma del Universo se describe y se entiende en términos de la Relatividad General.
La ecuación de Friedmann
• Esfera de masa M, radio RS, expandiéndose o contrayéndose
donde RS = a(t) rS y rS es el radio de la esfera ahora
RS
2238
2
2221
2
)(
2)(
)(
)(
3
4
tar
UtG
ta
ta
URG
UR
GMR
R
GMR
S
SS
S
SS
SOLUCIONES
a las ecuaciones
El lado “oscuro” del Universo
• Sin embargo, este esquema sencillo se ha tambaleado por el descubrimiento reciente de dos componentes “exóticas” en el Universo:
• La materia oscura
• La energía oscura.
Rotación curva de la Vía Láctea
La materia oscura no absorbe o emite radiación, pero sí tiene atracción gravitacional. Se cree que está formada por algún tipo de partículas.
Pero aún más desconocida es la energía oscura…
ENERGIA
Y MATERIA OSCURA
¡No sabemos de qué se compone el 96% del contenido de masa-energía del Universo!
El Universo después de
Einstein
• La comprensión actual del Universo está basada significativamente en las aportaciones de Einstein, pero también de otros muchos científicos a través del siglo XX y comienzos del XXI.
CONFIRMACION
DEL BIG BANG
EL MODELO
DEL UNIVERSO
NUESTRO UNIVERSO
¿PLANO?
¿CERRADO?
¡ABIERTO!
EL MAS PROBABLE
La Mecánica Cuántica es impresionante...
pero yo estoy convencido de que Dios no juega a los dados
Lo más incomprensible del mundo es que sea comprensible
EL GENIO DE
FINEN ASTRONOMIA