LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD

La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial como a la de relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.

La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento.

La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana, aunque coincide numéricamente con ella paracampos gravitatorios débiles y "pequeñas" velocidades. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.

No fue hasta el 7 de marzo de 2010 cuando fueron mostrados públicamente los manuscritos originales de Einstein por parte de la Academia Israelí de Ciencias, aunque la teoría se había publicado en 1905. El manuscrito contiene 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas redactadas a mano, y fue donado por Einstein a la Universidad Hebrea de Jerusalén en 1925 con motivo de su inauguración.

Diapositiva desarrollada en clase - TEORÍA DE LA RELATIVIDAD

CENTENARIO DE EINSTEIN - 2015

2015 marca un hito importante en la historia de la física: hace cien años, en noviembre de 1915, Albert Einstein escribió las famosas ecuaciones de campo de la relatividad general. La relatividad general es la teoría que explica todos los fenómenos gravitacionales que conocemos (las manzanas que caen, en órbita alrededor de planetas, galaxias escapar ...) y sobrevivió un siglo de continuas pruebas de su validez. Después de 100 años se debe considerar como  una teoría  de libro clásica, pero la relatividad general se mantiene joven de espíritu, su idea central, el hecho de que el espacio y el tiempo son dinámicos e influenciados por la presencia de materia, sigue siendo alucinante y difícil de aceptar como un hecho bien probado de  vida.

El desarrollo de la teoría fue impulsada por los experimentos que se llevaron a cabo principalmente en el cerebro de Einstein (es decir, los llamados "experimentos mentales"). Estos experimentos se centraron en el concepto de la luz: "¿Qué sucede si la luz es observada por un observador en movimiento?" "¿Qué pasa si la luz viaja en presencia de un campo gravitatorio?" Naturalmente, varias pruebas de la relatividad general tienen que ver con la luz también: el primer éxito de la teoría y la que hizo la teoría conocida por todo el mundo, fue la observación de la desviación de la luz por el sol. Eddington en 1919 fue capaz de observar, durante un eclipse, el efecto del Sol sobre la luz procedente de una lejana estrella. La deflexión observada estaba en perfecto acuerdo con la teoría de Einstein, mientras que la predicción de la vieja teoría de Newton estaba fuera por un factor de 2: un triunfo de Einstein! Hoy en día, la desviación de la luz por los objetos astrofísicos (! Que es la óptica con lentes muy grandes) es una herramienta que se utiliza con éxito para explorar el Universo: se llama efecto de lente gravitatoria.

La luz seguía siendo fundamental, incluso en las pruebas posteriores de la teoría. Por ejemplo, en la denominada gravitacional  redshift:. La frecuencia de la luz cambia cuando se mueve en un campo gravitatorio, otras predicciones de la relatividad general, probado experimentalmente desde 1959 En realidad, el matrimonio feliz entre la luz y la relatividad general es importante cada vez que usamos un GPS dispositivo: efectos relativistas generales son cruciales para determinar nuestra posición con la precisión requerida!

Pero lo más sorprendente predicción de la relatividad general no tiene que ver con la luz, sino más bien con su ausencia! Los agujeros negros son objetos tan densos que ni siquiera la luz puede escapar de su fuerte campo gravitatorio! . Una vez más, no es ciencia ficción: los agujeros negros son objetos por ahora estándar que nosotros (indirectos!) observar y estudiar.

En mucho más grandes, escalas cosmológicas, el corrimiento al rojo gravitacional de la luz de galaxias y estrellas en explosión (supernovas) constituye la herramienta básica que nos permite "mapear" el universo y estudiar su "geometría". Es a través de estas herramientas que nos dimos cuenta de que el universo está en expansión, es decir, todas las galaxias se alejan unas de otras. Incluso más recientemente, se hizo evidente que esta expansión es, de hecho, acelerar! Como consecuencia de ello, nos dimos cuenta de que hay una nueva forma  (oscura) de la energía presente en el Universo! Cabe subyacente que se hicieron posibles todos estos descubrimientos asombrosos y sorprendentes mediante el estudio de la luz que proviene de astrofísicos distantes en el marco de la relatividad general.

Desde la cosmología viene otra conexión entre la luz y la Relatividad General, en relación con los primeros momentos de nuestro Universo. La relatividad general predice que nuestro Universo proviene de un estado muy enérgico, el Big Bang, y una muestra de ello está impreso en el microondas cósmico llamado Background: CMB. El CMB es la luz producida en el caliente Temprano Universo en el momento en que su densidad disminuye finalmente permitió que los fotones viajen libremente. Esta misma luz podemos ver hoy en día y nos proporciona una valiosa información de cómo se veía el universo cuando su edad era sólo 1/30000.

¿Qué pasa con los futuros descubrimientos? Estamos esperando con impaciencia (en 2015?) De la primera detección de ondas gravitacionales, es decir, "ondas" en el tejido del espacio-tiempo, otra fascinante predicción de la relatividad general, tan loco que ni siquiera Einstein creía en ella.

Los producidos en las primeras etapas de la historia del Universo se pudo detectar, de manera indirecta, como patrones peculiares en la polarización de la luz CMB. Dicha detección podría proporcionarnos información muy valiosa sobre el universo primitivo, empujando aún más atrás en el tiempo nuestra "vista".

Fuente: http://www.luz2015.unam.mx/leer/4/impacto-economico

SÍLABO

01.      DATOS ADMINISTRATIVOS

ESCUELA                                       : INGENIERIA DE SISTEMAS

AREA                                              : CIENCIAS BASICAS

CURSO                                           : FÍSICA MODERNA

CODIGO DEL CURSO                  : CB-313

PRE-REQUISITO                           : FÍSICA II (CB-312)          

SISTEMA DE EVALUACION        : G   

CREDITOS                                     : 3

PROFESOR                                   : Mg. PERCY V. CAÑOTE FAJARDO

02.      SUMILLA

La asignatura se organiza en función a cinco áreas importantes en física. Inicia abordando el tema de la Relatividad Restringida y General pasando luego a Física Cuántica, donde se examinan los fenómenos iniciales precedentes y a continuación fotones, electrones y átomos, la naturaleza ondulatoria de las  partículas, estructura atómica, moléculas y materia condensada. Física Nuclear, Física de Partículas y Cosmología.

03.       OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

A.          GENERALES

3.1.            Se pretende complementar la formación la formación básica del ingeniero con temas de Física Moderna y profundizar en el conocimiento de los fenómenos físicos, con especial interés en materias propias de esta ingeniería, como la Física de Semiconductores, la Ciencias de Materiales, la Propagación de Ondas y la Fotónica.

3.2.            Introducir los conceptos y fenomenología de la Física Moderna entregando al estudiante una base intuitiva y operativa del tema, que lo capacite para comprender la física cuántica o áreas de física aplicada relevantes en el desarrollo de la tecnología actual.

3.3.            Dar al estudiante una presentación clara y coherente de los principios y conceptos de la Física Moderna.

3.4.            Desarrollar la capacidad de razonamiento en el estudiante, y el aprendizaje significativo, es decir, la habilidad de interpretar y usar el conocimiento en situaciones no idénticas a aquellas en las que fue inicialmente adquirido.

B.           ESPECIFICOS

3.1.            Identificar a la luz como forma de radiación electromagnéticas

3.2.            Analizar la naturaleza corpuscular de la luz y su interacción con la materia.

3.3.            Proporcionar los conocimientos básicos de las dos partes fundamentales de la Física actual: la Relatividad y la Mecánica cuántica.

3.4.            Alcanzar una visión general de algunas de las aplicaciones de la mecánica cuántica.

3.5.            Alcanzar una visión general de algunas de las aplicaciones de la mecánica cuántica en el campo de la física atómica y de la física nuclear.

3.6.            Familiarizar al estudiante con algunos de los experimentos de a la Física Moderna.

3.7.            Desarrollar y aplicar los principios y leyes que expliquen los fundamentos de la física moderna, relacionándolos a una amplia gama de interesantes aplicaciones al mundo real.

3.8.            Inculcar al estudiante responsabilidad en su propio proceso de aprendizaje, y tenga una actitud positiva hacia la ciencia en general, y en particular hacia la Física.

3.9.            Realizar experimentos de Laboratorio que permitan validar la teoría.

3.10.        Desarrollar en el estudiante hábitos de disciplina, responsabilidad y puntualidad en los trabajos individuales y de grupo.

3.11.        Aprender técnicas, y adquirir hábitos o modos de pensar y razonar.

3.12.        Cultivar en el futuro profesional la capacidad de abstracción para la solución de problemas y la necesidad de la aprehensión del conocimiento básico de las ciencias naturales. Además desarrollar habilidades para la experimentación y medición de fenómenos naturales.

           

04.       METODOLOGIA.

4.1.            Las clases se desarrollan en forma expositiva con la participación activa de los estudiantes, haciendo énfasis en el análisis de los contenidos y sus aplicaciones.

4.2.            En las prácticas dirigidas se desarrollaran problemas aplicativos para reforzar los conceptos teóricos fundamentales y profundizar algunos temas de importancia.

4.3.            Se plantean un conjunto de situaciones los cuales deberán ser analizados haciendo uso del ordenador, mediante la técnica de simulación.

4.4.            El desarrollo de las prácticas será empleando el método experimental o mediante seminarios y/o trabajos de grupo. Se introducirán las técnicas del ABP y AC.

           

05.       CONTENIDO PROGRAMATICO

5.1.            UNIDAD UNO

                        1a Semana

Relatividad Restringida

Introducción. Invarianza de las leyes físicas. Simultaneidad. Las transformaciones de Lorentz. Diagrama espacio- tiempo. Aplicaciones.

                        2a Semana

                        El efecto Doppler para ondas electromagnéticas. Cantidad de tiempo relativista. Energía. Mecánica Newtoniana relativista. Aplicaciones.

                       

3a Semana

 Relatividad General

Generalidades. Aplicaciones.

5.2.      UNIDAD DOS

                        4a Semana

                        Introducción a la Mecánica Cuántica

Introducción. Fenómenos antecedentes. Radiación de cuerpo negro, efecto fotoeléctrico, efecto Compton, RX, líneas espectrales.

5.3.      UNIDAD TRES

5a Semana

Fotones, electrones y átomos

                        Introducción. Emisión y absorción de luz. El efecto fotoeléctrico. Espectros de líneas y niveles de energía. Aplicaciones.    

6a Semana

El núcleo atómico. El modelo de Bohr. El láser. Producción y dispersión de rayos X. Espectros continuos. Dualidad onda partícula. Aplicaciones. 

7a Semana

EXAMEN PARCIAL

5.4.      UNIDAD CUATRO

La naturaleza ondulatoria de las partículas.

                        8a Semana

Introducción. Ondas de Broglie. Difracción de los electrones. Probabilidad e incertidumbre. El microscopio electrónico. Funciones de Onda. Aplicaciones.

5.5.      UNIDAD CINCO

Mecánica Cuántica.

                       

9a Semana

                        Partícula en una caja. La ecuación de Schroedinger. Pozo de potencial. Barrera de potencial y efecto túnel. El oscilador armónico. Aplicaciones.

      

           

5.6.      UNIDAD SEIS

                        Estructura atómica

                        10ª Semana

                        Introducción. El átomo de hidrógeno. El efecto Zeeman. El Espin del electrón.  Átomos de múltiples electrones. Y el principio de exclusión de Pauli. Espectros de rayos X. Aplicaciones.

      

           

5.7.      UNIDAD SIETE

                       

Estructura Molecular

                        11ª Semana

                        Introducción. Tipos de enlaces moleculares. Espectros moleculares. Estructura de los sólidos. Bandas de energía.     Aplicaciones.

5.8.      UNIDAD OCHO

Física nuclear

                        12ª Semana

Introducción. Propiedades de los núcleos. Enlace nuclear y estructura nuclear. Estabilidad y radiactividad nuclear. Actividades y vidas medias. Aplicaciones.

                       

13ª Semana

                        Efectos biológicos de la radiación. Reacciones nucleares. Fisión nuclear. Fusión nuclear. Aplicaciones.

5.9.      UNIDAD NUEVE

Física de partículas. Astrofísica y Cosmología

                        14ª Semana

Introducción. Historia de las partículas fundamentales. Aceleradores y detectores de partículas. Partículas e interacciones. Quarks y camino óctuplo. Modelo estándar. Aplicaciones.

15ª Semana

La expansión del universo. El fondo de radiación de microondas. Materia oscura. El principio del tiempo; big bang. Aplicaciones.

16ª Semana

                        Examen Final

17ª Semana

                        Examen sustitutorio

06.       BIBLIOGRAFIA

6.1R. Serway, C.J. Moses, C.A. Moyer. Física Moderna. Ed. Thomson, 3ra edición (2006).

6.2. R. Serway. Física. T II; Mc Graw Hill, 4ta edición (1998).

6.3. Sears & Zemansky, Young, Freedman. Física Universitaria. Vol. II;  Addison Wesley Longman, 9na edición (1998).

6.4. P. A. Tippler. Física Moderna. Ed. Reverté, 1994.

6.5. J. P. McKelvey. Física del estado sólido y de semiconductores. Ed. Limusa. México 1976.

6.6. Alonso, Marcelo. Física. Ed. Addison Wesley Iberoamericana. S.A. U.S.A. 1995.

6.7. Eisberg, Lerner, Física. Ed. Mc. Graw Hill 1986.

6.8. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker. Fundamental of Physics, Ed. Wiley, 1993.

6.9. P. A. Tippler. Física. Ed. Reverté, 1994.

6.10. H. D. Young. University Physics.

6.11. R. Feynman, Leighton, Sands, Física, Vol I y III. Ed. Addison Wesley Iberoamericana. S.A. U.S.A. 1988.