Relatividad Especial y General
paratodopublico para
todo
publico
Dr. Willy H. Gerber
‐
SocioAchaya Socio
Achaya ‐
Instituto de Física
Universidad Austral de Chile, Valdivia
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1
Nuestro guía
Hola
,,
soy
Albert!
Nuestro objetivo es explicar la teoría
especial y general de la relatividad en
la forma mas sencilla posible.
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2
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 propagaen propaga
en
el medio
agua
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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
buscabanelmedio buscaban
el
medio
en que se propa‐
gaba la luz.
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4
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
or el es
p
acio.
pp
Esto se pone
complicado.
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5
Ondas y medios
Elcomportamientodeléter 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
??????
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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.
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Ondas y medios
El interferómetro de Michelson‐Morley
debía medir la velocidad de la tierra
respecto del éter lumínico.
Elresultadofuedesconcertante:la El
resultado
fue
desconcertante:
la
velocidad de la luz es en todas las
direcciones es exactamente igual.
Ha! la velocidad
delaluzes de
la
luz
es
constante en todo
sistema.
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Un Gedankenexperiment (experimento del pensamiento)
Einstein se pregunto… que pasaría si viajo a la velocidad de la luz
Me podría
ver en el
espejo?
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Un Gedankenexperiment (experimento del pensamiento)
La Luz nunca En el mundo clásico la luz nunca
lílj
alcanzaría el
espejo!
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10
a
lcanzar
ía e
l espe
jo.
Velocidad de la luz
Aquí vino las primeras dos “herejías” de Einstein:
Tomen nota
muchachos!*
1. La velocidad de la luz es constante,
independientedelavelocidaddel independiente
de
la
velocidad
del
emisor y receptor.
2. La luz no necesita medio para
(léi)
propagarse
(
e
l é
ter no ex
iste
)
*o muchachas si corresponde.
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Paréntesis: el efecto Fotoeléctrico
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Paréntesis: el efecto Fotoeléctrico
te
Alta intensidad
Baja intensidad
Corrien
Frecuencia
Bueno por
esto me dieron
el Premio
Nobel
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Paréntesis: el efecto Fotoeléctrico
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Dos puntos de vista
Mismoeventovistoprimerodesdela Mismo
evento
visto
primero
desde
la
camioneta y luego visto desde el borde
de la calle.
Dos puntos de
vista de un
mismo evento.
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El problema del tiempo
Ahora con luz.
Mmm… el camino
se alarga, misma
velocidaddelaluz
Velocidad =
Camino
Tiempo
velocidad
de
la
luz
y el tiempo?
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Dilatación del tiempo
Ambos miden tiempos distintos!!!
Para un observador externo el
tiempodelospasajerosavanzamas
OK no
queda otra:
El tiempo no
esabsol to
tiempo
de
los
pasajeros
avanza
mas
lento.
es
absol
u
to
‐
se dilata
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Comprobación experimental: el decaimiento del muon
El Muón viaja a
0.998 c
Sin dilatación tem
p
oral
:
p
Tiempo decaimiento: 2μs
Distancia que viaja:
Distancia * Tiempo = 600m ???
Con dilatación temporal: Tiempo decaimiento: 31.6μs
Distancia
q
ue via
j
a:
qj
Distancia * Tiempo = 9500m !!
!
Nome
Electron
No
me
extraña.
Neutrinos
Muon
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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.
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Como se ve el entorno en “blanco y negro”?
v = 0 v = 0.9c
El entorno
“
Para el viajero el entorno se ve contraído….
en ese punto Star Wars lo reflejo
correctamente.
“
se
encoje”
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correctamente.
Efecto Doppler tradicional
Cuando el cuerpo se acerca hay un corrimiento al azul:
Esto no es relatividad.
700nm 400nm
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Efecto Doppler tradicional
Cuando el cuerpo se aleja hay un corrimiento al rojo:
Esto
tampoco.
700nm 400nm
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Efecto Doppler tradicional
Acercándose
Espectro de disco de gas en Galaxia M87
OK volvamos
a la relati‐
vidad?
Alejándose
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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
binarioSS433enqueunhoyonegrooestrelladeneutrones binario
SS433
en
que
un
hoyo
negro
o
estrella
de
neutrones
emite dos jets en dirección opuesta.
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Como se ve en entorno en colores
Ahora
todos los efectosala
Deformación de
la visual
efectos
a
la
vez.
Corrimiento de la frecuencia
(largo de onda)
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Concentración de la
intensidad
Velocidad de la luz
Aquí las primeras dos conclusiones de Einstein:
Tomen nota
muchachos!*
1. Para el observador en reposo el
tiempodeunobservadoren tiempo
de
un
observador
en
movimiento se dilata.
2. Para el observador en movimiento las
di i di
stanc
ias externas se contraen.
*o muchachas si corresponde.
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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
iiiódbdfliidl
s
incron
izac
ió
n
d
e
b
e
d
e tomar en cuenta e
f
ectos re
lat
iv
istas
d
e
la
dilatación del tiempo.
Para que
vean!
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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
unabarrera una
barrera
natural
28
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.
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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”:
20:00
Situaciones posibles
osotros)
(lugares a los que
puedo llegar sin
sobrepasar la
velocidadmáxima)
les (para no
6:00
velocidad
máxima)
es imposib
El diagrama
espacio‐
i
Santia
La Ser
Antofa
0:00
Situacione
t
iempo
ago
rena
agasta
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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.
CiC
omportam
iento
a causal.
Mmm los
“Tacyones”;
nocreoque no
creo
que
existan.
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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
espacio‐
tiempo
Desde el pasado
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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
i
var
ios anos.
Como Luck viaja para el, el
tiempo transcurre mas lento
Mmm yo
soy
pacifista!
Cuando vuelva Leia
será una anciana
mientras
que el casi no habrá
envejecido.
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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 confundícon confundí
con
lo relativo!!!
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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
acifista!
p
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La paradoja de los mellizos
Quien tiene la razón?
La clave esta en que Luck debe frenar
l
ll
y ace
lerar
para vo
lver … con
lo que se
dará cuenta que es él, el que va y
vuelve.
Tiempo
Dibuja el
diagrama espacio
‐
tiempo
Aldebarán Origen
Distancia
espacio
‐
tiempo
y lo veras!
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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
vi
aja
n
a
u
n
a
v
e
loc
idad
co
n
sta
n
te
.
ajaaua
eocdadco sta te *o muchachas si corresponde.
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La conservación de Impulso
Que se concluye si consideramos que se debe conservar el Impulso
Im
p
ulso = Masa x Velocida
d
p
Mmmestoes Mmm
…
esto
es
complicado.. con la
dilatación del tiempo
la velocidad se vera
reducida.
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La conservación del impulso
Porladilatacióndeltiempola Por
la
dilatación
del
tiempo
la
velocidad de la pelota observada por la
persona al borde de la calle.
La masa de un
cuerpo en
movimiento
Para que el Impulso se conserve la
masa debiese de aumentar!!!
movimiento
aumenta.
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Conservación del Impulso
Otra conclusión de Einstein:
m=γm
0
Tomen nota
muchachos!*
Paraelobservadorenreposo Para
el
observador
en
reposo
la masa de un observador en
movimiento aumenta.
*o muchachas si corresponde.
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La conservación de la energía
Laconservacióndeenergíallevaala La
conservación
de
energía
lleva
a
la
famosa formula
Debí cobrar
royalty por esta
formula, me
habría hecho
millonario.
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La conservación de la energía
Fusión nuclear (el combustible de las estrellas)
Masasetransformaen Masa
se
transforma
en
energía de ligazón.
Fisión nuclear (reactores nucleares)
+ Energía
AA
gggrrrr…
Soy pacifista.
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Energía
Otra conclusión de Einstein:
E= mc
2
=
γ
m
0
c
2
Tomen nota
muchachos!*
La Energía es
E=mc
2
E
=
mc
donde m es la masa del objeto
en el sistema en movimiento bdddli
o
b
serva
d
a
d
es
d
e e
l s
istema en reposo.
*o muchachas si corresponde.
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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 interesante
Subamos con un ascensor Al „subir“ ... ...sientennuestros ...
sienten
nuestros
amigos la atracción
terrestre y la tracción
del ascensor.
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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
ii l
grav
itac
iona
les son
iguales.
Princi
p
io de
p
Equivalencia de
Newton.
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El Gedankenexperiment del ascensor
Oseaalcaer
Al caer el ascensor ...
O
sea
al
caer
para ellos es
como que no
existe
gravedad!
Subamos con un ascensor ... nuestros amigos
sienten como que „no
haygravedad
“
hay
gravedad
.
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El Gedankenexperiment del ascensor
Si los motores funcionan ...
Compare‐
mos con
esta nueva
it ió
s
it
uac
ió
n
Volemos con un cohete
... nuestros amigos
sienten la tracción del
cohete como
ifldd
s
i f
uera
la grave
d
a
d
.
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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.
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El Gedankenexperiment del ascensor
Esta es la
esencia de la
relatividad
l
genera
l
La caída libre en un campo gravitacional se comporta
igual que el caso en el espacio sin gravedad.
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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
l
espac
io
li
b
r
e
de
g
r
a
v
edad
.
yeespacobedegaedad
*o muchachas si corresponde.
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50
Simetrías
Existen sistemas que presentan simetrías o sea hay factores que pese
que hago cambios no varían.
En dirección
horizontal
hí h
ay simetr
ía,
en la vertical
no.
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Simetrías
Existen cuerpos con mas o menos
dimensiones en
q
ue son
q
simétricos.
Mas
ejemplos
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Simetrías y conservación
Para cada simetría existe una ley de conservación Simetría en la translación espacial:
‐conservación de impulso
Invariancia
transnacional
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Simetrías y conservación
Simetría en la rotación especial:
conservación del momento
angular angular
Invariancia rotacionaly
Simetría en el tiem
p
o
rotacional
y
temporal
p
‐conservación de la energía
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La fuerza como una forma de modelar el quiebre de simetría
Si viajamos rumbo a Marte ya no
tenemos simetría en la translación.
Impacto
–
cambio en la simetría
La “fuerza”
como un
artificio?
Impacto ‐fuerza
La fuerza es cambio de impulso en el
tiempo, o sea, se podría entender como
un quiebre dinámico de la simetría.
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Modelando en base a la geometría
Movimiento a través del espacio curvo
Una
alternativa es b
tra
b
ajar con un
espacio curvo.
Especial curvo
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La Ecuación de Einstein
La clave de la Relatividad General de Einstein:
Tomen nota
muchachos!*
Curvatura del espacio Distribución de la masa
Cadaobjetoledicealespaciocomo Cada
objeto
le
dice
al
espacio
como
curvarse y el espacio curvo le dice al
objeto como moverse.
*o muchachas si corresponde.
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La luz en el espacio curvo
Estrella visible (P i iódádl (P
os
ic
ió
n
d
etr
á
s
d
e
l
sol –observado durante
un eclipse solar)
La curvatura
actúa también
sobre la luz
que no tiene
masa
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La luz en el espacio curvo
Posición visible
Posición real
El sol actúa
como una
“lupa grav‐
itacional”
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La luz en el espacio curvo
con Gravitación sin Gravitación
Esto se puede
verificar.
„Cruces de Einstein “ (dos Estrellas)
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60
La luz en el espacio curvo
Algunas galaxias
que vemos son
solo solo
“espejismos”
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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!
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La luz en la Relatividad General
Y Einstein concluye respecto de la luz:
Tomen nota
muchachos!*
Laluzesdesviadaporelespacio La
luz
es
desviada
por
el
espacio
curvado. De igual forma es desviada
en un sistema acelerado.
*o muchachas si corresponde.
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63
La solución de Schwartzschild
Primera solución de la ecuación de EinsteinporKarlSchwarzschild
Libre
Entraenorbita
Einstein
por
Karl
Schwarzschild
Entra
en
orbita
Capturada
Esta metrica
(solución) tiene
un caso limite
en que nada
puede escapar.
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64
La solución de Schwartzschild
Si la densidad es
suficientemente
grande, se forma
unhoyonegro
John
Wheeler
un
hoyo
negro
.
Nota: Lente gravitacional al borde
Radio de Schwarzschild
en el “horizonte visible”
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65
La solución de Schwartzschild
¿Qué tan alta tiene que ser la densidad?
Nuestra tierra
tendría que
serdepocos ser
de
pocos
centímetros.
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66
La solución de Schwartzschild
¿Podríamos viajar a un hoyo negro?
No soportaríamos
el gradiente (la
espagetizacion) espagetizacion)
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La solución de Schwartzschild
¿Es totalmente negro? Steven Hawkings ve que se podrían “liberar” partículas virtuales.
No debiese
de existir la
radiación
Hawkings
Materia
Hawkings
CreaciónDestrucción
Partícula
“
libre
”
Antimateria
Partícula
libre
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La solución de Schwartzschild
DidHRl
¿Existen los hoyos negros?
Di
agrama
d
e
H
ertzsprung
R
usse
l
Deberían
Sir Roger Penrose
Deberían
.
En teoría pueden
surgir de estrellas
masivas que mueren.
Se han observado
situaciones que se
puedenexplicarcon pueden
explicar
con
la presencia de un
hoyo negro.
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La solución de Schwartzschild
KiTh Ki
p
Th
orne
¿Cómo se formaría? Lo podríamos observar?
Supongamos que cada hormiga representa
unpulsodeluz un
pulso
de
luz
.
Se puede usar llíd la ana
log
ía
d
e
las hormigas de
Kip.
A medida que la membrana se va
volviendo mas
p
rofunda en camino de las
p
hormigas se alarga al igual que la distancia entre
ellas (mayor largo de onda = corrimiento al rojo)
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70
La solución de Schwartzschild
Al final no hay escape
Al final ninguna
hormiga puede
escapar
Mas espacio
enelinteriordelo
Horizonte
pequeño
en
el
interior
de
lo
que corresponde
según dimensiones
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La solución de Schwartzschild
Si se lograra acoplar dos singularidades
podría ser que una actúe como hoyo negro
y la otra como hoyo blanco.
Hoyo negro
Mmmm,
algunas pruebas
ninguna ninguna
verificación.
El llamado Puente de
Einstein‐Rosen
o Gusano de Schwarzschild
es inestable.
El gusano de Morris‐Thorne
podríaserestablepero
Hoyo blanco
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podría
ser
estable
pero
requiere de masa/energía
negativas.
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.
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Los Hoyos Negros
Y Einstein concluye respecto de la luz:
Tomen nota
muchachos!*
Los hoyos negros son un pronostico de
lateoríaGeneraldelaRelatividad la
teoría
General
de
la
Relatividad
.
Existen indicios de que se les ha
observado. Temas como “hoyos de
”díibl
gusanos
”
po
d
r
ían ser pos
ibl
es.
*o muchachas si corresponde.
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Posibilidades de viajar en el tiempo Se puede estudiar un como de espacio tiempo en el borde de un
hoyo negro:
Elconosegira
Tiempo
El
cono
se
gira
hacia el hoyo
negro
Radio de Schwartzschild
Distancia
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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
Di t i Di
s
t
anc
ia
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76
Posibilidades de viajar en el tiempo
Existen dos situaciones:
Un sistema abierto o
uno cerrado.
Ok
especulemos
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Posibilidades de viajar en el tiempo
Martzviajaal
Podría ser un
sistema
cerrado
Martz
viaja
al
pasado
Marty se
encuentra con
su madre
La madre
llama a su hijo
Marty
A la madre le
tl
gus
t
a e
l
nombre Marty
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Posibilidades de viajar en el tiempo Si los sistemas estarían cerrados la historia estaría
escrita y la voluntad humana seria una ilusión.
Paradoja de Hawkings
“Porque no vemos a turistas,
cazadores de recuerdos,
estudiosos de la historia,
arqueólogos, fugitivos y
criminalesquenosvisitandel criminales
que
nos
visitan
del
futuro.”
Quien dice
quemegusta
Hawkings, Newton, Data y
Einstein en el 2300
ju
g
ando Póker
que
me
gusta
el póker?
jg
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Posibilidades de viajar en el tiempo
George & Lorain se
casan
Y si el
sistemaes
nace
Marty
Marty
evita la boda
de sus padres
sistema
es
abierto?
Martyviaja Marty
viaja
al pasado
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Posibilidades de viajar en el tiempo
Carl Sagan
Silif Si
los s
istemas
f
ueran
abiertos, la historia
sería una ciencia
ex
p
erimental.
Tendremos
p
que esperar
a nuevos
estudios.
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Posibilidad de viajar en el tiempo
Y Einstein concluye respecto del viaje en el tiempo:
Tomen nota
muchachos!*
Lo lamento pero aun no sabemos si es
posible. Tampoco tenemos idea, de
ser factible, si los sistemas son
ab
ie
r
tos
o
ce
rr
ados
.
abe tosoce ados
*o muchachas si corresponde.
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La expansión del universo
Por el corrimiento al rojo sabemos que las galaxias se están alejando
entre si. El universo se “infla”
li
E
l un
iverso
expande.
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83
La expansión del Universo
La masa
“observada”
no alcanza
para que sea
cerrado
Según la masa que exista el universo volverá a colapsar o se
expenderá hasta el infinito.
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84
La expansión del Universo
Esto me
recuerda
nuevament
e al éter!!!
En todo caso existen lentes
gravitacionales y comportamiento de
galaxias que hace pensar que existe
materia“novisible”Sehablade materia
“no
visible”
.
Se
habla
de
Materia Oscura
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La expansión del Universo
La expansión es cada vez mas rápida. Pero de donde viene la energía?
En forma análoga se habla de
“
EnergíaOscura
”
Energía
Oscura
Quien
sabe.
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Para donde vamos?
Nos falta una teoría que nos permita estudiar objetos a escala atómica y de alta
velocidad (en espacio curvo).
Mecánica
cuántica
Relativista
c
Relativi‐
dad
Cosmolo‐
gia
(en espacio
curvo)
Velocidad
dad
relativista
Aun no
terminamos
V
c/10
Mecánica
cuántica
Mecánica
Clásica
Cosmo‐
logia
newto‐
niana
Núcleos (10
‐14
m)
Átomos (10
‐10
m)
Galaxias (10
20
m)
niana
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(10
m)
(10
m)
(10
m)
Tamaño
Las cuatro tipos de fuerzas
Se busca unificar todo creando la “Teoría del Todo” F
Ptil
Ptil
R
It
Si todas ellas
se pudieran
unirconuna
F
uerzas
P
ar
ti
cu
las
Afectadas
P
ar
ti
cu
las
Trans‐
misoras
R
ango
I
n
t
en‐
sidad
Interacciones
Quarksy
Gluones
10
‐15
m
1
unir
con
una
sola teoría….
Interacciones
fuertes
(nucleo)
Quarks
y
Gluones
Gluones
10
m
1
Electroma
g
neCon car
g
a foton Infinito 1
/
137
g
tismo
g
electrica
/
Interacciones
debiles
Quarks y
Le
p
tones
W
+
, W
‐, Z
0
10
‐17
m10
‐5
(decaimiento )
p
GravedadParticulas
con masa
Gravitones
(no obs.)
infinito 6x10
‐39
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Para finalizar
Y eso fue
todo.
Hay mucho aun por descubrir.
Esperoquehayancomprendidodeque Espero
que
hayan
comprendido
de
que
se trata todo esto y entiendan ahora
algo de lo que es la Relatividad
EilGl E
spec
ia
l y
G
enera
l.
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Versiones anteriores
Octubre 2005 Asociación de Astronomía y Astronáutica (Achaya) Noviembre 2007 Con
g
reso de Aficionados a la Astronomía
organizado por Achaya
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Contacto
Dr. Willy H. Gerber [email protected]
InstitutodeFisica Instituto
de
Fisica
Universidad Austral de Chile
Campus Isla Teja
Casilla567, Valdivia, Chile
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