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INTRODUCCIÓN ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA

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EL FIN DE LAS ESTRELLAS MASIVAS

La relatividad restringida

 

Supernovas y estrellas de neutrones
Una supergigante
Una supernova
Nucleosíntesis estelar
Una estrella de neutrones
Un púlsar
La radiación de los púlsares

Las fuentes X y gamma
Las fuentes de rayos X
El enigma de las explosiones de rayos gamma
El origen de las explosiones de rayos gamma

La relatividad restringida
El fin del espacio absoluto
La relatividad restringida
La dilatación del tiempo
La contracción del espacio y el espacio-tiempo

La relatividad general
El principio de equivalencia
La relatividad general y la curvatura del espacio-tiempo
Las verificaciones de la relatividad general
La onda gravitacional
La lente gravitacional

Los agujeros negros
Un agujero negro
El espacio-tiempo alrededor de un agujero negro
Un agujero negro histórico: Cygnus X-1

 

 

 

 

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Imagen que ofrece una fotografía del sol en rayos x. Crédito: NASA Goddard Laboratory for Atmospheres

 

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Visión artística de un agujero negro con disco de acreción. Crédito: Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

La relatividad restringida

Albert Einstein desarrolló la relatividad restringida a partir de dos principios de base. Primero, las leyes de la física debían ser las mismas en todos los sistemas de referencia, siempre que no estén sometidas a una aceleración. Ningún sistema era privilegiado y no existía nada como un espacio absoluto. Luego, la velocidad de la luz debía ser una constante fija. No dependía del movimiento de la fuente de emisión. Todos los observadores, cualquiera que sea su movimiento, debían medir el mismo valor.

 

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Albert Einstein; Ulm, Imperio alemán, 14 de marzo de 1879 - Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955) fue un físico alemán de origen judío, nacionalizado después suizo y estadounidense. Es considerado como el científico más importante del siglo XX.


En 1905, cuando era un joven físico desconocido, empleado en la Oficina de Patentes de Berna, publicó su teoría de la relatividad especial. En ella incorporó, en un marco teórico simple fundamentado en postulados físicos sencillos, conceptos y fenómenos estudiados antes por Henri Poincaré y por Hendrik Lorentz. Como una consecuencia lógica de esta teoría, dedujo la ecuación de la física más conocida a nivel popular: la equivalencia masa-energía, E=mc². Ese año publicó otros trabajos que sentarían bases para la física estadística y la mecánica cuántica.


En 1915 presentó la teoría de la relatividad general, en la que reformuló por completo el concepto de gravedad. Una de las consecuencias fue el surgimiento del estudio científico del origen y la evolución del Universo por la rama de la física denominada cosmología. En 1919, cuando las observaciones británicas de un eclipse solar confirmaron sus predicciones acerca de la curvatura de la luz, fue idolatrado por la prensa. Einstein se convirtió en un icono popular de la ciencia mundialmente famoso, un privilegio al alcance de muy pocos científicos.


Por sus explicaciones sobre el efecto fotoeléctrico y sus numerosas contribuciones a la física teórica, en 1921 obtuvo el Premio Nobel de Física y no por la Teoría de la Relatividad, pues el científico a quien se encomendó la tarea de evaluarla no la entendió, y temieron correr el riesgo de que luego se demostrase errónea. En esa época era aún considerada un tanto controvertida.


Ante el ascenso del nazismo, el científico abandonó Alemania hacia diciembre de 1932 con destino a Estados Unidos, donde se dedicó a la docencia en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Se nacionalizó estadounidense en 1940. Durante sus últimos años trabajó por integrar en una misma teoría la fuerza gravitatoria y la electromagnética.


Aunque es considerado por algunos como el «padre de la bomba atómica», abogó por el federalismo mundial, el internacionalismo, el pacifismo, el sionismo y el socialismo democrático, con una fuerte devoción por la libertad individual y la libertad de expresión. Fue proclamado como el «personaje del siglo XX» y el más preeminente científico por la revista Time. Crédito: Wikimedia Commons

 

La velocidad de la luz

Este segundo principio puede parecer asombroso. En la vida diaria, estamos acostumbrados a que las velocidades se sumen o se resten. Imaginemos que me encuentro en un tren que rueda a 90 kilómetros a la hora. Decido ir hacia adelante y me pongo a caminar a 10 kilómetros a la hora con relación al tren. Para un observador fuera del tren, las velocidades se suman y avanzo de hecho a 100 kilómetros a la hora con relación al suelo.

Pero lo que es verdad en la vida cotidiana no lo es ya cuando se considera la luz. Imaginemos ahora, que un fotón, que se desplaza a la velocidad de la luz en un laboratorio, emita otro por algún proceso físico. Si los dos fotones se dirigen en el mismo sentido, se esperaría que el segundo se desplace al doble de la velocidad de la luz con relación al laboratorio. En realidad, no es el caso, el segundo fotón se desplaza exactamente a la velocidad de la luz con relación al laboratorio.

Esto puede parecer asombroso, pero emana directamente de la experiencia de Michelson. Ésta muestra, en efecto, que la luz se propaga de la misma forma en las direcciones paralela y perpendicular al movimiento de la Tierra. Su velocidad es, así pues, idéntica en ambas direcciones e insensible al desplazamiento de la Tierra sobre su órbita. Otras numerosas experiencias, por otra parte, han confirmado este hecho.

El fin del tiempo absoluto

La alianza de los dos principios precedentes iba a revolucionar la física y nuestra concepción del espacio y del tiempo. En particular iba a poner en entredicho los conceptos de simultaneidad y tiempo absoluto. En la vida diaria, dos acontecimientos simultáneos lo son para todo el mundo. Si percibe dos lámparas encenderse al mismo tiempo, cualquier otro observador, en movimiento o no, también las verá ponerse a brillar en el mismo momento. Sin embargo, este no es ya el caso en la relatividad restringida.

Imagine que con uno de sus amigos forman un equipo de astronautas encargados de verificar las predicciones de la teoría. Están a bordo de una estación espacial alejada de todo campo gravitacional. Su amigo se encuentra en un cohete espacial provisto de propulsores muy potentes que le permiten alcanzar una velocidad cercana a la de la luz. Él va a efectuar un paso a gran velocidad ante la estación espacial, tomando cuidado de parar sus motores y, en consecuencia, desplazarse a velocidad constante.

En el momento en que pasa justo delante de usted, su amigo hace la experiencia siguiente: él se coloca exactamente en el centro de su nave, enciende una lámpara y observa la propagación de la luz hacia la parte delantera y trasera. Puesto que se encuentra exactamente en el centro de la nave, verifica bien que la luz de la lámpara alcanza ambas extremidades de la nave en el mismo momento, de manera simultánea.

Desde la estación espacial, usted observa esta experiencia, pero las cosas no son tan simples, porque para usted la nave está en movimiento. La trasera de la nave avanza y se precipita hacia los rayos luminosos que provienen de la lámpara, mientras que, al contrario, la delantera se aleja y tiende a retrasar el momento del encuentro. Para usted, los rayos de la lámpara alcanzan, pues, la trasera de la nave antes de alcanzar la delantera. Los dos acontecimientos, que eran simultáneos para su amigo, no lo son para usted.

Así pues, con la relatividad restringida, la simultaneidad no es más un concepto absoluto. Si un observador ve dos acontecimientos producirse simultáneamente en dos lugares distintos, otro observador en movimiento con relación al primero, verá uno de los dos acontecimientos producirse antes que el otro. Un efecto asombroso, pero cuyas consecuencias han sido verificadas muchas veces por la experiencia.

Esta pérdida de la simultaneidad universal tiene como consecuencia el abandono del concepto de tiempo absoluto. En efecto, ¿cómo podríamos aún hablar de un tiempo absoluto independiente de toda influencia exterior, si diferentes observadores son incapaces de ponerse de acuerdo sobre la cronología de dos acontecimientos?

 

 

ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA - ANTONIO HERAS - SON FERRER (CALVIÁ)

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