Transcript EL GENIO DE 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.

EL GENIO DE
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
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?
5 km/s
v = 5 km/s
15 km/s*
V = 10 km/s
* Esto es simplemente v+V = 15 km/s
¿A qué velocidad se mueve la luz?
299792 km/s
Laser
299792 km/s**
V = 10 km/s
¡No es a 299802 km/s!
La velocidad de la luz es constante…
V=n+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
d
Reloj
estacionario
A
– tiempo de ida y vuelta tA = 2d/c
– tiempo de ida y vuelta tB = 2dB/c
Reloj en
movimiento
B
• pero dB = √(d2 + ¼v2tB2)
• o sea tA2 = tB2(1 – β2) donde β = v/c
• El reloj en movimiento marcha más
despacio, por un factor g = (1 – β2)−1/2
– nota: si vamos en el reloj B, vemos al reloj A
ir más despacio
vt
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 espaciotiempo.
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=
2
mc
E=
2
mc
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
¡NO!
¿Más
rápido
que la
luz?
¡La componente a la izquierda se mueve en
el cielo más rápido que la luz!
Se trata de una ilusión relativista…
Desplazamiento aparente
vt sen 
Tiempo aparente
t [1 – (v/c)cos ]
Velocidad aparente
v sen  /[1 – (v/c)cos ]
¡puede exceder c!
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
F
GMm
r
2
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
R   GM
S
2
RS
1
2
GM
4 G  2
2

RS 
U 
RS  U
RS
3
2
 a ( t ) 

 
 a (t ) 
8
3
 G  (t ) 
RS
2U
2
rS a ( t )
2
donde RS = a(t) rS y rS es el radio de la esfera ahora
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
Lo más
incomprensible del
mundo es que sea
comprensible
La Mecánica Cuántica
es impresionante...
pero yo estoy
convencido de que Dios
no juega a los dados
EL GENIO DE
EN ASTRONOMIA
FIN