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Slide 1: Relatividad Especial y General para todo publico para todo publico Dr. Willy H. Gerber ‐ Socio Achaya Socio Achaya ‐ Instituto de Física Universidad Austral de Chile, Valdivia 1 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 10.07
Slide 2: Nuestro guía Hola,, soy Albert! Nuestro objetivo es explicar la teoría especial y general de la relatividad en la forma mas sencilla posible. 2 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 3: Ondas y medios Si arrojamos una piedra al agua observaremos olas que se propagan por la superficie. El medio en que se propagan es el agua. La onda se propaga en propaga en el medio agua 3 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 4: Ondas y medios En 1905 todos buscaban demostrar la existencia del éter lumínico, el medio en que se propagaba la luz por el espacio. En 1905 todos buscaban el medio buscaban el medio en que se propa‐ gaba la luz. 4 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 5: Ondas y medios El éter debía llenar el espacio permitiendo que la luz de las estrellas llegue a nosotros. Nuestro planeta debería “navegar” por el en su movimiento p por el espacio. p Esto se pone complicado. 5 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 6: Ondas y medios El comportamiento del éter El comportamiento del éter entorno de la tierra podía ser complejo pero ante todo debiésemos observar que se mueve en distintas velocidades según la posición que observáramos. Éter con turbulencias ??? 6 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 7: Ondas y medios Como un objeto que viaja contra la corriente es mas lento que uno que se desliza atravesando o incluso con ella, la velocidad de la luz debiese ser distinta según la dirección en que se desplaza el éter. La clave es medir la velocidad de la luz en distintas direcciones. 7 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 8: Ondas y medios El interferómetro de Michelson‐Morley debía medir la velocidad de la tierra respecto del éter lumínico. El resultado fue desconcertante: la El resultado fue desconcertante: la velocidad de la luz es en todas las direcciones es exactamente igual. Ha! la velocidad de la luz es de la luz es constante en todo sistema. 8 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 9: Un Gedankenexperiment (experimento del pensamiento) Einstein se pregunto… que pasaría si viajo a la velocidad de la luz Me podría ver en el espejo? 9 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 10: Un Gedankenexperiment (experimento del pensamiento) En el mundo clásico la luz nunca La Luz nunca alcanzaría el espejo. l íl j alcanzaría el espejo! 10 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 11: Velocidad de la luz Aquí vino las primeras dos “herejías” de Einstein: Tomen nota muchachos!* 1. La velocidad de la luz es constante, independiente de la velocidad del independiente de la velocidad del emisor y receptor. 2. La luz no necesita medio para propagarse (el éter no existe) ( lé i) *o muchachas si corresponde. 11 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 12: Paréntesis: el efecto Fotoeléctrico 12 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 13: Paréntesis: el efecto Fotoeléctrico Alta intensidad Baja intensidad Corriente Frecuencia Bueno por esto me dieron el Premio Nobel 13 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 14: Paréntesis: el efecto Fotoeléctrico 14 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 15: Dos puntos de vista Mismo evento visto primero desde la Mismo evento visto primero desde la camioneta y luego visto desde el borde de la calle. Dos puntos de vista de un mismo evento. 15 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 16: El problema del tiempo Ahora con luz. Camino Velocidad = Mmm… el camino Tiempo se alarga, misma velocidad de la luz velocidad de la luz y el tiempo? 16 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 17: Dilatación del tiempo OK no Ambos miden tiempos distintos!!! queda otra: Para un observador externo el El tiempo no tiempo de los pasajeros avanza mas tiempo de los pasajeros avanza mas es absol to es absoluto ‐ lento. se dilata 17 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 18: Comprobación experimental: el decaimiento del muon El Muón viaja a 0.998 c Sin dilatación temporal: p Tiempo decaimiento: 2μs Distancia que viaja: Distancia * Tiempo = 600m ??? Con dilatación temporal: Tiempo decaimiento: 31.6μs Distancia que viaja: q j Distancia * Tiempo = 9500m !!! Electron No me No me Muon extraña. Neutrinos 18 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 19: Pero como lo ve el muon? Nuestra Nuestra troposfera tiene unos 15000m Los terrícolas están locos, su troposfera es de solo 1000m Ok la distancia se contrae. 19 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 20: Como se ve el entorno en “blanco y negro”? v = 0 v = 0.9c Para el viajero el entorno se ve contraído…. en ese punto Star Wars lo reflejo El entorno correctamente. “se “ encoje” 20 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 21: Efecto Doppler tradicional Cuando el cuerpo se acerca hay un corrimiento al azul: Esto no es relatividad. 700nm 400nm 21 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 22: Efecto Doppler tradicional Cuando el cuerpo se aleja hay un corrimiento al rojo: Esto tampoco. 700nm 400nm 22 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 23: Efecto Doppler tradicional Espectro de disco de gas en Galaxia M87 Acercándose OK volvamos a la relati‐ vidad? Alejándose 23 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 24: Efecto Doppler por dilatación del tiempo Esto es relatividad nueva‐ nueva mente En movimiento transversal a alta velocidad se puede también observar un corrimiento al rojo por efecto de la dilatación del tiempo (contracción del largo de onda). Ejemplo sistema binario SS433 en que un hoyo negro o estrella de neutrones binario SS433 en que un hoyo negro o estrella de neutrones emite dos jets en dirección opuesta. 24 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 25: Como se ve en entorno en colores Ahora Deformación de todos los la visual efectos a la efectos a la vez. Corrimiento de la frecuencia (largo de onda) Concentración de la intensidad 25 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 26: Velocidad de la luz Aquí las primeras dos conclusiones de Einstein: Tomen nota muchachos!* 1. Para el observador en reposo el tiempo de un observador en tiempo de un observador en movimiento se dilata. 2. Para el observador en movimiento las distancias externas se contraen. di i *o muchachas si corresponde. 26 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 27: Aplicaciones practicas No solo se ha comprobado empíricamente estas leyes, además se emplean en nuestra actual tecnología satelital. El sistema GPS funciona con un numero de satélites sincronizados. Dicha sincronización debe de tomar en cuenta efectos relativistas de la i i ió d b d f l ii dl dilatación del tiempo. Para que vean! 27 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 28: Casos limites El tiempo se dilata hasta que se detiene cuando la velocidad del sistema es igual a la velocidad de la luz. Los cuerpos se contraen hasta quedar planos. La velocidad de la luz es una barrera una barrera natural 28
Slide 29: Velocidad de la luz Aquí la próxima conclusión de Einstein: Tomen nota muchachos!* Nada puede viajar a la velocidad de la luz. *o muchachas si corresponde. 29 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 30: Limites en el espacio‐tiempo Si se grafica el tiempo vs la distancia recorrida obtendremos un área que es factible de alcanzar y un área “fuera de nuestras posibilidades”: osotros) 20:00 Situaciones posibles es imposibles (para no (lugares a los que puedo llegar sin sobrepasar la velocidad máxima) velocidad máxima) 6:00 Situacione 0:00 El diagrama La Ser Santia Antofa espacio‐ ago rena tiempo i agasta 30 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 31: Limites en el espacio‐tiempo Nota: la teoría dice que no es posible viajar a la velocidad de la luz y no excluye la posibilidad de que existan objetos que viajen a mas velocidad que la de la luz. Comportamiento C i a causal. Mmm los “Tacyones”; no creo que no creo que existan. 31 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 32: Limites en el espacio‐tiempo – en dos dimensiones El limite de lo posible forma en un espacio de dos dimensiones un cono: Hacia el futuro El cono de Desde el pasado espacio‐ tiempo 32 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 33: La paradoja de los mellizos Como todos sabemos Luck y Leia Skywalker de la Guerra de las Galaxias son mellizos. Se dice que a Luck lo mandaron a Aldebarán viajando en su X‐wing a casi la velocidad de la luz, viaje que duro varios anos. i Como Luck viaja para el, el tiempo transcurre mas lento Mmm yo soy Cuando vuelva Leia pacifista! será una anciana mientras que el casi no habrá 33 envejecido. www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 34: La paradoja de los mellizos El problema es que existe un movimiento relativo. Ejemplo, cuando dos trenes/buses están lado a lado y uno parte … como se cual se mueve? Jejeje … Nuevamente confundí con confundí con lo relativo!!! 34 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 35: La paradoja de los mellizos Como a Leia no le gusta la idea de envejecer antes alega que en realidad es un problema de relatividad. Total ella de igual forma puede afirmar que es su nave la que se aleja y vuelve. Por ello concluye que es Luck el que envejecerá. Sigo siendo p pacifista! 35 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 36: La paradoja de los mellizos Quien tiene la razón? La clave esta en que Luck debe frenar y acelerar para volver … con lo que se l l l dará cuenta que es él, el que va y vuelve. Tiempo Dibuja el Aldebarán Distancia Origen diagrama espacio‐tiempo espacio‐tiempo y lo veras! 36 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 37: Velocidad de la luz Una advertencia de Einstein: Tomen nota muchachos!* Cuidado, estamos aun viendo la relatividad especial que solo vale para sistemas que no aceleran o sea viajan a una velocidad constante. aja a u a e oc dad co sta te *o muchachas si corresponde. 37 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 38: La conservación de Impulso Que se concluye si consideramos que se debe conservar el Impulso Impulso = Masa x Velocidad p Mmm… esto es Mmm esto es complicado.. con la dilatación del tiempo la velocidad se vera reducida. 38 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 39: La conservación del impulso Por la dilatación del tiempo la Por la dilatación del tiempo la velocidad de la pelota observada por la persona al borde de la calle. Para que el Impulso se conserve la La masa de un masa debiese de aumentar!!! cuerpo en movimiento aumenta. 39 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 40: Conservación del Impulso Otra conclusión de Einstein: Tomen nota m = γm0 muchachos!* Para el observador en reposo Para el observador en reposo la masa de un observador en movimiento aumenta. *o muchachas si corresponde. 40 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 41: La conservación de la energía La conservación de energía lleva a la La conservación de energía lleva a la famosa formula Debí cobrar royalty por esta formula, me habría hecho millonario. 41 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 42: La conservación de la energía Fusión nuclear (el combustible de las estrellas) Masa se transforma en Masa se transforma en energía de ligazón. Fisión nuclear (reactores nucleares) + Energía Agggrrrr… Soy pacifista. 42 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 43: Energía Otra conclusión de Einstein: E = mc2 Tomen nota muchachos!* = γm0c2 La Energía es E = mc2 E = mc donde m es la masa del objeto en el sistema en movimiento observada desde el sistema en reposo. b dd d li *o muchachas si corresponde. 43 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 44: El Gedankenexperiment del ascensor Vamos ahora al caso en que la aceleración no es cero. Entramos ahora en lo que se denomina Relatividad General. Ahora se pone interesante Subamos con un ascensor Al „subir“ ... ... sienten nuestros ... sienten nuestros amigos la atracción terrestre y la tracción del ascensor. 44 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 45: El Gedankenexperiment del ascensor Si caer el ascensor … tanto el gordo como el flaco caen a la misma forma. Esto es curioso, no depende de la masa! Subamos con un ascensor La razón es que las masas inerciales y gravitacionales son ii l iguales. Principio de p Equivalencia de Newton. 45 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 46: El Gedankenexperiment del ascensor Al caer el ascensor ... O sea al caer O sea al caer para ellos es como que no existe gravedad! Subamos con un ascensor ... nuestros amigos sienten como que „no hay gravedad hay gravedad“. 46 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 47: El Gedankenexperiment del ascensor Si los motores funcionan ... Compare‐ mos con esta nueva situación it ió Volemos con un cohete ... nuestros amigos sienten la tracción del cohete como si fuera la gravedad. if l dd 47 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 48: El Gedankenexperiment del ascensor Se detiene el cohete en el espacio ... O sea las situaciones son idénticas! Volemos con un cohete ... nuestros amigos sienten la falta de gravedad. 48 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 49: El Gedankenexperiment del ascensor Esta es la esencia de la relatividad general l La caída libre en un campo gravitacional se comporta igual que el caso en el espacio sin gravedad. 49 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 50: El Gedankenexperiment del ascensor Una nueva conclusión de Einstein: Tomen nota muchachos!* No podemos diferenciar entre la situación en que nos encontramos en caída libre en un campo gravitacional y e espac o b e de g a edad y el espacio libre de gravedad. *o muchachas si corresponde. 50 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 51: Simetrías Existen sistemas que presentan simetrías o sea hay factores que pese que hago cambios no varían. En dirección horizontal h hay simetría, í en la vertical no. 51 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 52: Simetrías Existen cuerpos con mas o menos dimensiones en que son q simétricos. Mas ejemplos 52 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 53: Simetrías y conservación Para cada simetría existe una ley de conservación Invariancia Simetría en la translación espacial: transnacional ‐ conservación de impulso 53 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 54: Simetrías y conservación Simetría en la rotación especial: conservación del momento angular Invariancia rotacional y rotacional y temporal Simetría en el tiempo p ‐ conservación de la energía 54 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 55: La fuerza como una forma de modelar el quiebre de simetría Si viajamos rumbo a Marte ya no tenemos simetría en la translación. La “fuerza” como un Impacto – cambio en la simetría artificio? Impacto ‐ fuerza La fuerza es cambio de impulso en el tiempo, o sea, se podría entender como un quiebre dinámico de la simetría. 55 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 56: Modelando en base a la geometría Movimiento a través del espacio curvo Una alternativa es trabajar con un b espacio curvo. Especial curvo 56 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 57: La Ecuación de Einstein La clave de la Relatividad General de Einstein: Tomen nota muchachos!* Curvatura del espacio Distribución de la masa Cada objeto le dice al espacio como Cada objeto le dice al espacio como curvarse y el espacio curvo le dice al objeto como moverse. *o muchachas si corresponde. 57 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 58: La luz en el espacio curvo Estrella visible (Posición detrás del (P i ió d á d l La curvatura sol – observado durante actúa también un eclipse solar) sobre la luz que no tiene masa 58 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 59: La luz en el espacio curvo Posición visible Posición real El sol actúa como una “lupa grav‐ itacional” 59 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 60: La luz en el espacio curvo sin Gravitación con Gravitación Esto se puede verificar. „Cruces de Einstein “ (dos Estrellas) 60 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 61: La luz en el espacio curvo Algunas galaxias que vemos son solo solo “espejismos” 61 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 62: El equivalente en un sistema no gravitacional La luz se desvía ya sea por la curvatura o la aceleración del sistema desde el que se le observa. Aun que sorprenda! 62 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 63: La luz en la Relatividad General Y Einstein concluye respecto de la luz: Tomen nota muchachos!* La luz es desviada por el espacio La luz es desviada por el espacio curvado. De igual forma es desviada en un sistema acelerado. *o muchachas si corresponde. 63 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 64: La solución de Schwartzschild Libre Primera solución de la ecuación de Entra en orbita Entra en orbita Einstein por Karl Schwarzschild Einstein por Karl Schwarzschild Capturada Esta metrica (solución) tiene un caso limite en que nada puede escapar. 64 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 65: La solución de Schwartzschild Si la densidad es John suficientemente Wheeler grande, se forma un hoyo negro. un hoyo negro Nota: Lente gravitacional al borde en el “horizonte visible” Radio de Schwarzschild 65 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 66: La solución de Schwartzschild ¿Qué tan alta tiene que ser la densidad? Nuestra tierra tendría que ser de pocos ser de pocos centímetros. 66 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 67: La solución de Schwartzschild ¿Podríamos viajar a un hoyo negro? No soportaríamos el gradiente (la espagetizacion) 67 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 68: La solución de Schwartzschild ¿Es totalmente negro? Steven Hawkings ve que se podrían “liberar” partículas virtuales. No debiese Materia de existir la radiación Hawkings Destrucción Creación Partícula libre Partícula “libre” Antimateria 68 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 69: La solución de Schwartzschild Diagrama de Hertzsprung Russel Di dH R l ¿Existen los hoyos negros? Sir Roger Penrose Deberían. Deberían En teoría pueden surgir de estrellas masivas que mueren. Se han observado situaciones que se pueden explicar con pueden explicar con la presencia de un hoyo negro. 69 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 70: La solución de Schwartzschild Kip Thorne Ki Th ¿Cómo se formaría? Lo podríamos observar? Supongamos que cada hormiga representa un pulso de luz. un pulso de luz Se puede usar la analogía de l l íd las hormigas de Kip. A medida que la membrana se va volviendo mas profunda en camino de las p hormigas se alarga al igual que la distancia entre ellas (mayor largo de onda = corrimiento al rojo) 70 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 71: La solución de Schwartzschild Al final no hay escape Al final ninguna hormiga puede escapar Mas espacio en el interior de lo en el interior de lo Horizonte que corresponde pequeño según dimensiones 71 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 72: La solución de Schwartzschild Si se lograra acoplar dos singularidades Hoyo negro podría ser que una actúe como hoyo negro y la otra como hoyo blanco. Mmmm, algunas pruebas ninguna ninguna verificación. El llamado Puente de Einstein‐Rosen o Gusano de Schwarzschild es inestable. El gusano de Morris‐Thorne podría ser estable pero podría ser estable pero requiere de masa/energía Hoyo blanco negativas. 72 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 73: La solución de Schwartzschild Se especula que estos llamados hoyos de gusano podrían conectar dos puntos lejanos llegando a ser “autopistas intergalácticas”. Quien Quien sabe. 73 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 74: Los Hoyos Negros Y Einstein concluye respecto de la luz: Tomen nota muchachos!* Los hoyos negros son un pronostico de la teoría General de la Relatividad. la teoría General de la Relatividad Existen indicios de que se les ha observado. Temas como “hoyos de gusanos” podrían ser posibles. ” dí ibl *o muchachas si corresponde. 74 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 75: Posibilidades de viajar en el tiempo Se puede estudiar un como de espacio tiempo en el borde de un hoyo negro: Tiempo El cono se gira El cono se gira hacia el hoyo Radio de Schwartzschild negro Distancia 75 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 76: Posibilidades de viajar en el tiempo Si se inclina suficiente podría permitir ir a tiempos negativos o sea retroceder en el tiempo. Sera posible? mpo Tiem Distancia Di t i 76 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.07
Slide 77: Posibilidades de viajar en el tiempo Existen dos situaciones: Un sistema abierto o uno cerrado. Ok especulemos 77 www.gphysics.net – Relatividad especial y general para aficionados – Versión 11.0



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