Título: “De copas con Einstein”

Autores: Javier Alises Fernández, Miriam Fernández González (14), Clara Ruiz Ramos (13).

Centro de Enseñanza: Colegio San Gabriel, Madrid, Madrid, 28025.

E-mail: alisesprofesor@hotmail.com

ÍNDICE:

Abstract Resumen Desarrollo Galería de imágenes Referencias

Abstract

Our work deals with the theory of relativity and all the concepts and ideas that revolve around it. For this, we must first invest igate three major

scientists: Galileo Galilei, Isaac Newton and Albert Einstein finally. This seemed interesting because, as is the international year of astronomy,

physics speak of these three was an enjoyable way to learn more about this branch of science. We review the concepts and the first two were

compared with those of Einstein. Also explain what assumptions are behind the theory of relativity, the main points, and explain the set of

theories, laws and ideas of the three scientists, but in an easy to understand, without formulas.

To reflect this theory, we rely on other lesser-known bodies, such as gravitational lenses, black holes, etc. We focus on the former, and explain its

features, shapes, types, and some curious things about them. To make the experiment, we relied on the demonstration made by the physicist

Arthur Eddintong, but we use gravitational lenses in a laboratory. This show that the light travels in a straight line, and subject to a massive,

curved (curvature of space). So we formed our little space. "

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Resumen

Nuestro trabajo trata sobre la teoría de la relatividad y todos los conceptos e ideas que giran entorno a ella. Para ello, primero debemos investigar

sobre tres científicos muy importantes: Galileo Galilei, Isaac Newton y por último Albert Einstein. Esto nos pareció interesante porque, como es

el año internacional de la astronomía, hablar de estos tres científicos era una forma amena de aprender más sobre esta rama de la ciencia.

Repasamos los conceptos que tenían los dos primeros y los comparamos con los de Einstein. También explicamos en qué postulados se basaba la

teoría de la relatividad, los principales aspectos, y explicamos el conjunto de teorías, leyes e ideas de los tres científicos, pero de una manera fácil

de entender, sin fórmulas.

Para reflejar esta teoría, nos apoyamos en otros cuerpos menos conocidos, como son las lentes gravitacionales, agujeros negros, etc. Nos

centramos en las primeras, y explicamos sus características, formas, tipos, algunos casos curiosos y más cosas sobre ellas. Para hacer el

experimento, nos basamos en la demostración que hizo el físico Arthur Eddintong, pero nosotros utilizamos las lentes gravitacionales en un

laboratorio. Con ello evidenciamos que la luz no viaja en línea recta, y que ante un objeto masivo, se curva (curvatura del espacio). Así

formamos nuestro “pequeño espacio”.

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Desarrollo

-¿QUÉ ES LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD?

Para empezar, teníamos que saber qué era esa cosa tan rara que habíamos oído mencionar muchísimas veces, pero que pocos mayores nos

sabían explicar: la teoría de la relatividad. Eso nos llamó a la aventura: investigar sobre algo que pocas personas cercanas conocían era todo

un reto .Tras informarnos, comprendimos algunas ideas básicas gracias a un libro de Stephen Hawkings:

Se llama Teoría de la Relatividad al concepto donde se engloban dos cuerpos de investigaciones científicas,

las cuales fueron estudiadas por el físico Albert Einstein. Los dos conceptos son: la Teoría de la Relatividad

Especial y la Teoría de la Relatividad General.

La Teoría de la Relatividad Especial:

Esta teoría describe el movimiento en un espacio-tiempo plano y se usa básicamente para estudiar los

sistemas referenciales inertes. Estos conceptos fueron presentados anteriormente por dos matemáticos,

Poincaré y Lorentz, que son considerados también como originadores de la teoría. Einstein se basa en dos

postulados principales:

-Todos los sistemas de referencia inerciales son equivalentes→ todos los sistemas de referencia inerciales

son adecuados para describir las leyes de la naturaleza.

-La velocidad de la luz no se modifica, independientemente de los sistemas inerciales→ la velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas

de referencia inerciales.

Teoría de la Relatividad General:

La Teoría general de la relatividad es una teoría que trata, principalmente, la gravedad, y fue publicada entre 1915 y 1916 por Albert Einstein.

En ella Einstein nombra la gravedad no como una fuerza resultante de la atracción de dos cuerpos, sino como un efecto producido por la

curvatura del espacio-tiempo. Por esta razón, el espacio ya no es recto, sino que es curvo.

Los principios fundamentales introducidos son: la aceleración y la gravedad como aspectos distintos de la misma realidad; por ejemplo, no

podríamos distinguir si estamos encerrados en un ascensor que sube o si estamos en una habitación cerrada de un planeta; y el descubrimiento de

la curvatura del espacio-tiempo, por el cual la luz no viaja en línea recta a través del espacio, sino que se curva.

Según Einstein, sólo hay un universo, y la materia, el tiempo y el espacio son dependientes unos

de otros.

EL PRINCIPIO DE TODO: LO QUE SE CREÍA ANTES Y CÓMO FUE CAMBIANDO

Pero…, a parte de Einstein, había más nombres: Newton, Galileo, Maxwell, Aristóteles…Nos empezamos a preguntar

qué tenían que ver con Einstein, pues la mayoría no coincidían ni en fechas ni en lugar con su vida. Todo estaba

entrelazado, y unas ideas llevaban a otras…

Para explicar la teoría de la relatividad propuesta por Einstein, nos remontamos a Galileo Galilei. Le seguimos por la

calle, mientras va sumido en sus pensamientos, que giran alrededor de las ideas de Aristóteles acerca del estado natural

de un cuerpo, que era estar en reposo salvo que una fuerza lo moviera; y que un cuerpo caía a más velocidad cuenta

más masa tuviera. Aristóteles decía que todas las leyes que gobiernan el universo se podían deducir, por lo que no era

necesario comprobarlo de manera práctica. Galileo piensa, que esto no es así, por lo que cambia de rumbo, y se dirige

hacia su casa. Nosotros le seguimos, y podemos ver como, tras varias horas de trabajo y esfuerzo, coge bolas de diferentes pesos y los deja caer

sobre un plano inclinado, demostrando así que cada cuerpo aumenta la velocidad al mismo ritmo, independientemente de su peso, y que los

cuerpos caen a la vez, pero con pequeñas diferencias por la resistencia del aire.

Tras haber dejado a Galileo con sus pesos y sus ideas, avanzamos unos siglos y seguimos a Newton, un gran científico. Newton está en su

estudio, escribe sus leyes del movimiento y basa sus ideas en las de Galileo. Si en los experimentos de Galileo un cuerpo caía rodando y siempre

actuaba sobre él la misma fuerza (su peso), y el efecto que producía era la aceleración constantemente. Esto demostraba que el efecto real de una

fuerza era cambiar la velocidad de un cuerpo, no mantenerlo en movimiento, como se creía antes. Esto significa también que un cuerpo sobre el

cual no se aplique ninguna fuerza, se mueve en línea recta con la velocidad constante o bien permanece en reposo. Newton publica esta idea en el

libro Principia Mathematica, siendo la primera ley de Newton. Dejamos a Newton que descanse un rato y nos reunimos con él poco tiempo

después. Está en su estudio de nuevo, después de haber sufrido el golpe de una manzana roja encima de la cabeza mientras dormía pensando en la

Luna, escribiendo una ley gravitacional, en la que todo cuerpo atrae a los demás cuerpos con una fuerza proporcional a la masa de cada uno de

ellos. Esta ley dicta que cuanto más separados estén los cuerpos menor será la fuerza gravitatoria entre ellos. La Fuerza de atracción gravitatoria

se ejerce entre dos cuerpos que tengan la propiedad llamada masa gravitatoria. Newton fue capaz de explicar con su teoría gravitatoria las leyes

establecidas por Kepler . Newton consiguió deducir de leyes y principios generales las órbitas de los planetas y satélites y así predecir las

posiciones de estos con el tiempo (Determinismo). Sin embargo la teoría gravitacional de Newton no resolvía algunos puntos dudosos: ¿Cómo se

ejerce la acción a distancia? Y, aunque Galileo y Newton establecían la relatividad en la posición espacial ¿Qué ocurría con el tiempo? Para

Newton existía un sistema de referencia absoluto de medición del tiempo, una especie de reloj universal que transcurriera de forma constante.

Ambos pensaban que el tiempo se podía medir aunque ese tiempo se diera en dos sucesos sin ambigüedad. En este caso el tiempo sería el mismo

para todo el que lo midiera con un buen reloj (un tiempo absoluto, un tiempo independiente del espacio y de cualquier sistema de referencia).

Para ellos el tiempo no tenía que ver con el espacio, pero esto no era así, y la mejor forma de demostrarlo era con la luz. Cuando el físico

Maxwell publicó y afirmó que la luz viajaba a una determinada velocidad sobre un punto de referencia, se le planteó la duda de especificar

respecto a qué sistema de referencia se medía esa velocidad. Y se creó el concepto de éter. El éter era una sustancia, con densidad ínfima y un

gran coeficiente de elasticidad, que se convierte en el punto de referencia para medir la luz, pues esta viajaba a través del éter. Esta sustancia

estaba presente en todas las cosas, incluso en el vacío. Las ondas luminosas debían viajar por el éter como lo hace el sonido en el aire, por lo que

la velocidad era relativa al éter. Pero llega nuestro revolucionario: un joven que trabaja en una oficina en Suiza, Einstein, publica unos postulados

donde basa la quizás más famosa teoría de la historia: la de la relatividad especial. Ya no se necesita al éter, pues según él, no había un tiempo

absoluto. ¿Por qué? Porque ahora todos los observadores podrían medir la misma velocidad de la luz independientemente de la rapidez con la

cual se movieran los mismos. Esto aclaraba que la velocidad de la luz era siempre, 300 000 km/ seg, independientemente del sistema de

referencia. Más tarde vuelve a publicar su segunda parte de la teoría, la teoría general, donde la gravedad ya no es una fuerza, sino una distorsión

del espacio-tiempo. El espacio, la materia y el tiempo están entrelazados, y juntos forman un único Universo.

LENTES GRAVITACIONALES:

Este apartado nos encantó. Era algo asombroso ver como la luz se

curvaba y las imágenes que producía. Nos parecía increíble que

ocurriera algo así, por lo que enseguida nos pusimos a investigar sobre el

tema: conseguimos fotos, comparamos y decidimos crear nuestra propia

lente gravitacional.

Una lente gravitatoria o lente gravitacional, se produce cuando la luz

procedente de objetos lejanos y brillantes, como quasars, se curva

alrededor de un objeto masivo, como por ejemplo una galaxia, situado

entre el objeto emisor (fuente) y el receptor. En este caso, la galaxia

actuaría como lente gravitatoria.

Las lentes gravitacionales fueron predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein. En el año

1919, gracias al experimento de Arthur Eddington se pudo probar la exactitud de la predicción. Los

fenómenos de lentes gravitatorias pueden utilizarse para detectar la presencia de objetos masivos invisibles,

tales como agujeros negros.

Hay tres clases de fenómenos de lente gravitacional ( en función de las posiciones y las características de los elementos que intervienen):

1. Fuerte: provoca grandes distorsiones en la imagen, que son fáciles de detectar. Algunos casos son la formación de anillos de Einstein,

arcos, cruces de Einstein, etc.

2. Débiles: provoca distorsiones, pero más débiles, afectando sobre todo, a los objetos de fondo. Esto es más complicado de detectar, pues

hay que analizar los objetos de fondo.

3. Microlente: apenas se distorsiona la imagen, pero tiene pequeñas variaciones respecto a la intensidad de luz de los objetos de detrás.

Una lente gravitacional actúa en todo tipo de radiación electromagnética y no únicamente en luz visible. De

hecho, este tipo de lentes influye en todo tipo de frecuencias de la luz, sea ésta óptica, infrarroja, ultravioleta o

cualquier otra. Esto permite poder analizar mejor los objetos amplificados por la lente. Las primeras lentes

gravitacionales las descubrió en 1979 el astrónomo británico Dennis Walsh: una galaxia elíptica gigante actuaba

como lente gravitacional y producía una doble imagen de un quásar más lejano.

FORMAS Y CARACTERÍSTICAS DE LAS IMÁGENES PRODUCIDAS POR LENTES GRAVITACIONALES:

Las lentes pueden producir diversas formas según su posición y la del cuerpo al cual afecten. Las formas y características más curiosas son:

-Anillos de Einstein: se forman cuando la lente gravitacional afecta a la imagen de un agujero negro. Estos agujeros son visibles cuando emiten

radiación. La posición de los tres objetos (fuente, lente y observador) están en línea recta, uno detrás de otro.

-Arco: se forma una imagen con forma de arco alrededor del lugar donde debería estar la imagen del quasar. En algunos casos, se puede dar

doble, y en la imagen se distinguen dos semicircunferencias no unidas. En algunos casos pueden verse semicircunferencias incompletas o

separadas.

-Cruz de Einstein: En este caso el efecto lente gravitatoria produce una cruz simétrica porque la galaxia que actúa como lente se halla casi

exactamente en nuestra línea de visión del quásar o agujero negro.

ALGUNOS CASOS CURIOSOS DE LENTES GRAVITACIONALES:

-En esta imagen se observa que el cúmulo de galaxias Abell 1689 deforma el espacio como predice la teoría de

la relatividad de Einstein. Esto hace que la luz que proviene de las galaxias individuales y lejanas, ubicadas

detrás del cúmulo, se tuerza y provoque numerosas imágenes curvas.

-Una "cruz de Einstein" revela la presencia de una gran lente gravitacional

en medio del infinito espacio. En un principio pueden parecer cinco

objetos dispuestos en cruz por casualidad, pero en realidad son las cuatro

imágenes “no reales” de un quásar, agrupadas alrededor de la imagen de

una galaxia cercana.

EL EXPERIMENTO DE EDDINTONG:

Quizás fuera el apartado que nos dio la idea de hacer este trabajo, pues cuando lo oímos nos interesó y

buscamos más sobre este hombrecillo y su expedición a África.

En el año 1919, el día 29 de mayo, el científico Arthur Eddintong guió una expedición a la Isla del Príncipe (Golfo de Guinea), donde él y su

grupo observarían el eclipse total que sólo se veía en el hemisferio sur. Con los resultados obtenidos, comparándolos con distintas observaciones

y cálculos anteriores, consiguieron confirmar la teoría de la relatividad de Einstein. En las fotografías se demostraba que algunas estrellas

cercanas al Sol parecía que se habían desplazado, pero la posición desde la que emitían era la misma. Los haces de rayos en su trayectoria cerca

del Sol se curvaban, haciendo parecer las posiciones de las estrellas, que se hallan cerca del borde del Sol, como inciertas. Las fotos de Eddington

probaron que la extraña teoría de Einstein sobre la malla del espacio y del tiempo era cierta.

EL CIENTÍFICO:

Este apartado se lo dedicamos a uno de los mejores científicos de la historia, Albert Einstein. Su vida está llena de cosas curiosas, como el mito

de que se le daban mal las “mates” y luego llego a ser el mejor científico. Todo no lo podíamos poner, por eso elegimos una presentación algo

más técnica:

Albert Einstein nació el 14 de marzo de 1879 en suiza. Es el científico más conocido e importante

del siglo XX.

En el año 1905 revolucionó todos los esquemas que se tenía sobre el universo, publicado la Teoría de

la Relatividad Espacial mientras trabajaba en la Oficina de Patentes de Berna (Suiza). Después de

este primer trabajo publicó otros más, tratando temas como la mecánica cuántica y la física

estadística.

En 1915 presentó la Teoría de la Relatividad General, en la que reformuló el concepto de gravedad.

Gracias a esto, surgió una nueva rama conocida como cosmología.

En 1921 obtuvo el premio Nóbel de física por su explicación del efecto fotoeléctrico, pero no por su

renombrada teoría de la relatividad.

Por último, se trasladó de Alemania a Estados Unidos, donde impartió clases y luchó hasta el día de

su muerte por conseguir integrar en una misma teoría las cuatro fuerzas fundamentales. Murió en

Princeton, New Jersey, el 18 de abril de 1955.

NUESTRO EXPERIMENTO:

Nosotros también quisimos simular, como Eddintong, que la luz no viajaba en línea recta y que se curvaba. Para ello construimos un ejemplo de

lente gravitacional, con la cual, ocurriría lo siguiente: la luz llegaría hasta la lente, y en vez de viajar en línea recta y verse la imagen real, se

verían dos, tres o cuatro imágenes que no serían “verdaderas”. Para hacer el experimento construimos una caja, donde iría instalada la fuente o

emisor a observar y la lente actuaría como la masa del Sol en el experimento de Eddington. La caja debía estar cerrada para que los rayos de luz

se concentraran solo en el punto que iba a hacerlos atravesar la lente, una pequeña abertura en la caja, aunque en el espacio no fuera así. El

pequeño agujero por el cual salía el haz de luz, dirigía el mismo hasta la lente, que era la base de una copa de cristal. Utilizamos un puntero con

luz roja y diversos tipos de copas, para ver los efectos que producían.

Conseguimos los efectos del anillo de Einstein y la cruz de Einstein, unos de los fenómenos más asombrosos y curiosos.

Tomamos unas fotografías y las comparamos con los efectos producidos por una lente gravitacional real, nuestras fotografías son las de la

derecha y las de la izquierda corresponden a otras tomadas por astrónomos.

Imágenes del experimento:

Nuestra cruz de Einstein

Anillo doble de Einstein

Otros tipos de efectos producidos por nuestras lentes

VOCABULARIO:

Las dudas surgían, y las teníamos que resolver. Para ello, el diccionario. Nosotros tenemos el nuestro: -Sistema referencial o sistema de referencia:

Todo objeto se mueve en referencia a otro objeto; este último es el sistema de referencia. Si este sistema de referencia esta libre de rotaciones y aceleraciones

es un sistema de referencia inercial. Si hay dos sistemas de referencia, el primero inercial y el segundo a una velocidad constante, este último se considera como inercial respecto al otro.

-Agujero negro:

Es un zona del espacio donde se acumula una enorme cantidad de masa, lo que produce un campo de gravitación tan alto que nada puede escapar de el. -Tiempo absoluto:

El tiempo transcurre independientemente del observador. Si estás 5 minutos, no estás más, son siempre 5 minutos.

-Tiempo relativo:

El tiempo se relaciona con el observador, y depende de su punto de vista. Si estás trabajando el tiempo (una hora) parece que dura siglos, pero si estuvieras de fiesta (una hora) el tiempo parecería menor.

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Galería de imágenes

Efecto de la curvatura de la luz ante la lente gravitacional

Imágenes del telescopio Hubble

Nuestro experimento

¡Error!

� Imagen de un agujero negro “retocada” por una lente gravitacional

Preparando las lentes

Diversos anillos de Einstein descubiertos por el telescopio Hubble.

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Referencias

Páginas web:

http://eltamiz.com

http://es.wikipedia.org/wiki/Lente_gravitacional

http://www.iac.es/cosmoeduca/gravedad/fisica/fisica1.htm

http://observatorio.info/2003/01/abell-1689-deforma-el-espacio/

http://astroverada.com

http://astronomia2009.es/astrodiccionario

Libros:

-Historia del tiempo, Del big bang a los agujeros negros. Stephen Hawking. Editorial Critica. Barcelona 2002. Col. Drakontos.

-Astronomía. Guía del cielo nocturno. Blume. Barcelona 2002.

-Acta 2000. Ciencias experimentales. Ediciones Rialp. Madrid 1989.

Revistas:

-Revista española de física nº 19. " Real sociedad española de física. Madrid 2005, año mundial de la física.

-Temas: Investigación y ciencia. Nº 40. Einstein. Edición española de Scientific American. Edición 2005.

Otras fuentes de referencia:

También utilizamos otro material, como Power Points sacados de Internet que nos ayudaron a comprender la teoría de la relatividad y programas

de radio en los que se explicaba las distintas ideas de Galileo, Newton y Aristóteles.

-Programas de radio: Hablando con científicos: Manuel Lozano Leyva “Los diez experimentos más bellos de la historia”. http://cienciaes.com/

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