Albert Einstein

Universidad Nacional de Colombia

Observatorio Astronómico de Manizales OAM

 ALBERT EINSTEIN

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Por Gonzalo Duque-Escobar *

Manizales, Enero de 2016

*Imagen: Albert Einstein en:  http://stringers.es

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Presentación

Albert Einstein 1916, el creador de la Teoría de la Relatividad, en: hpd.de

• Esta presentación del OAM de la U.N. de Colombia, para el Contexto de Astronomía de 2016, se elabora con motivo de los 100 años de la Teoría de la Relatividad General, uno de los pilares de la física moderna soportado en los principios que conectan la dinámica y la materia, con la métrica del espacio-tiempo.
• El homenajeado Albert Einstein, su creador, quien tras haber logrado en 1905 fundamentar como principios la relatividad y la invariabilidad de la velocidad de la luz, desde 1907 aborda la extensión y generalización de su teoría para todo sistema de coordenadas. Dicho trabajo se publica en 1916.
• La centenaria teoría de Einstein basada en la equivalencia entre los efectos para la materia producidos en un campo gravitacional y lo ocasionado en ella cuando se da la aceleración del sistema de referencia, permite predecir la desviación de la luz en los entornos del Sol.
• La confirmación del hecho con una prueba obtenida en 1919 durante un eclipse, le otorga el reconocido internacional a este notable científico, hoy considerado uno de los más importantes de la historia moderna.

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Einstein

Los padres de Albert Einstein: Herman Einstein (1847-1902) y Pauline Koch 1858- 1920). Imagen : en Einstein para principiantes.

• Albert Einstein, quien ha sido considerado como el científico más importante del siglo XX, nace en Ulm, Alemania, en 1879; de origen judío, estudia en la Escuela Politécnica de Zurich donde se hizo ciudadano suizo; regresa a Berlín en 1913, donde dirige el Instituto de Investigación Física Kaiser Wilhelm.
• En 1905 publica su Teoría de la Relatividad Restringida o Especial, en 1916 presenta la Teoría general de la relatividad o relatividad general y en 1921 recibe el Nobel de Física por el descubrimiento y comprobación del efecto fotoeléctrico, pero no por su teoría de la relatividad.
• En 1933, ante el ascenso del nazismo y la política antisemita de Hitler, se traslada a EE. UU., donde se hace ciudadano; muere en Princeton EE.UU. en 1955.
• A sus contribuciones, habrá que añadir la descripción del movimiento browniano con un soporte matemático (1905) y su aporte a la física cuántica, al emplear el concepto del cuanto introducido por Planck para explicar determinadas propiedades del efecto fotoeléctrico.

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Isaac Newton (1643-1727)

Newton, imagen en en: d–h.info  

• Antes de Newton, los físicos y astrónomos habían mirado sólo la Tierra o el Sistema Solar: Eratóstenes, mide el radio de la Tierra. Tolomeo deduce que la tierra es redonda y propone un modelo geocéntrico. Copérnico elabora el modelo heliocéntrico, y Kepler y Galileo estudian los movimientos de los planetas en el Sistema Solar. En la tradición judeo-cristiana-musulmana, el Universo comenzó en un cierto tiempo pasado finito y no muy lejano. Aristóteles y Ptolomeo suponen la Tierra estática en el centro del Universo, y en torno a ella  todo girando según círculos perfectos.

• Pero Newton elabora una teoría gravitacional, que explica el  comportamiento de todos los cuerpos del Universo, y el movimiento expresando espacio y tiempo como invariantes. La idea que Newton tenía del espacio, era la de un contenedor, un espacio absoluto que es igual por todas partes y que no cambia en el tiempo. Pensaba también que el tiempo era absoluto, y que el lapso de tiempo entre dos sucesos, es el mismo lo midamos desde donde lo midamos.

• Para medir las posiciones de los cuerpos del Universo, Newton utilizó la Ley Universal del “sistema de referencia” aplicando la transformación de Galileo, con su teorema de la suma de las velocidades para hallar el espacio y tiempo.

• Esta Ley de los “sistemas de referencia” descubierta por Galileo, y que se llama Principio de Relatividad, dice que todas las leyes de la mecánica son las mismas para todos los sistemas de referencia que se muevan de manera uniforme.
• Antes del siglo XX, nadie sugirió que el Universo se estuviera expandiendo o contrayendo. Los modelos consideraban que el Universo, o bien había existido desde siempre en un estado inmóvil, o había sido creado en un tiempo pasado finito.

• De acuerdo con la teoría del Big Bang, el Universo surgió en un pasado finito, tras una explosión inicial de materia en  estado de condensación extrema. Después de la expansión, el Universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos de elementos primordiales, que unidos a través de la gravedad forman las estrellas y galaxias.
• Hoy se habla de la teoría inflacionaria de Alan Guth y Andrei Linde, una propuesta de los años ochenta según la cual, toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo, se concentraban en una singularidad espacio-temporal, donde el Big Bang desencadena el primer impulso de una “fuerza inflacionaria” a partir de la cual surgen también las actuales fuerzas fundamentales.

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Principios Matemáticos de la Filosofía Natural

• Newton constituye los cimientos de la mecánica clásica y fundamenta sus descubrimientos en mecánica y cálculo matemático.

Con su obra “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, Newton constituye las bases de la mecánica clásica y para sus descubrimientos en mecánica y cálculo matemático. Aunque principia es de 1687, un año antes pública su primer libro, en el que expone sus tres leyes:

• 1-Ley de la inercia: “Todo cuerpo preservará su estado de reposo o de movimiento uniforme y rectilíneo,  a  no ser que actúe sobre él otra fuerza que cambie su estado inicial”.
• 2-Ley de la interacción y la fuerza: “El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa, y ocurre en la misma dirección de la línea de acción de la fuerza que se aplique”. Esta segunda ley puede resumirse en la fórmula: F= m a

• 3-Ley de acción y reacción: “A toda acción siempre corresponde una fuerza de reacción igual y contraria”.

Newton toma lo fundamental del pensamiento que le precede, así:

1- De Copérnico: el modelo heliocéntrico, pero no los epiciclos ni las órbitas  circulares. 2- De Kepler: las tres leyes y las mareas, pero dice no al barrido del Sol a su alrededor. 3- De Galileo, toma la caída libre y el movimiento parabólico, y descarta la inercia circular y las mareas asociadas a la rotación de la Tierra. 4- De Descartes: incorpora la inercia rectilínea, y desecha el Vórtice, el Plenum que llenándolo todo niega la idea de vacío, y la idea de la materia celestial y la escoria; también dice no a la teoría de las mareas causadas por la presión del Vórtice solar.

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Universo infinito y eterno

• Edmund Halley (1656-1742), soportado en la visión Newtoniana, concebía un Universo eterno e infinito; como prueba de ello se tenía, que al observar los astros “firmes” en el cielo, no era posible señalar punto alguno sobre el cual estuviese colapsando.
• Tal colapso sería factible, si el Universo (inicialmente estático y extendido) tuviera límite o si la materia no estuviese distribuida homogéneamente en toda la extensión de un espacio infinito. Veamos:
• Si el Universo tiene, una masa M y un radio R infinito ( ), la fuerza gravitacional F para un Universo con densidad de masa q, estará dada por:

F = -G x 4/3 πqR ……. (I)  modelo esférico

• Siendo q > 0,  R Infinito ( ), y G la constante gravitacional, de (I) tendríamos que:

F = infinito 

• Esto es, dado que el valor de la fuerza gravitacional F es infinito, habría un tirón gravitacional suficiente para hacer colapsar el Universo.
• Pero si esto no ocurre, es gracias a que no existe en el Universo una jerarquía para la distribución de su masa M; lo que significa que la materia está uniformemente distribuida.
• Esto es, si la densidad de materia es de la forma
• q = a/R, y  la masa vale

M = 4π ∫ R a/R r2 dr  …….(II)

• Resolviendo la integral (II), tenemos:

M = 4/3π (a/R)(R3) o M= 4/3π q R3 …….(III)

• Luego: para R infinito, como antes de simplificar R, la expresión q implícitamente contenida en (III), vale

q = a/R= 0

• Entonces en la ecuación (II) también vale M = 0FF

• Y con ello, al no ser infinita la Fuerza F, se evita el colapso del Universo.

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El Contexto

El Pánico bancario de 1873, que surge de la caída de la Bolsa de Viena en Mayo, se desencadena en septiembre tras la quiebra en Estados Unidos de la entidad bancaria de Filadelfia, Jay Cooke and Company. Imagen en joseantoniobru.blogspot.com

• De la Gran Alemania surgirían la Confederación Alemana del Norte (1866) y el Imperio Alemán (1871), de los que Prusia fue el eje político y económico.

• En 1870, luego de las guerras napoleónicas y antecediendo la Primera Guerra Mundial, surge la guerra franco-prusiana, el conflicto más importante de Europa.

• En 1873 se produce la gran crisis financiera mundial, la primera de las grandes depresiones del capitalismo con la que la hegemonía inglesa le cede paso a EE. UU. como potencia económica global.

• En 1879 se funda la Liga del Antisemitismo, organización que acusa a los judíos de la crisis financiera.

• En 1880 Otto von Bismark, el político prusiano artífice de la unidad alemana, sanciona leyes anti socialistas para reprimir a la clase obrera.

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Primera Revolución Industrial (1760-1830)

Con la construcción del ferrocarril, se estimuló el crecimiento de la minería del carbón y de la siderurgia. En 1826 se inicia la construcción de la primera línea férrea del mundo entre dos ciudades: Liverpool y Manchester. Imagen en www.trenak.com

• La Primera Revolución Industrial se basa en el desarrollo de la máquina de vapor, el aporte del liberalismo, el surgimiento del capitalismo, la moral protestante y el desarrollo del comercio.

• Se trata de un proceso de transformación económico, social y tecnológico que se inició en la segunda mitad del siglo XVIII en Gran Bretaña, que unas décadas después se extendió hasta una buena parte de Europa occidental y Estados Unidos, y que finalizó hacia 1820 o 1840.

• Dicho periodo, nunca ocurrido desde el neolítico cuando ya la agricultura y la ganadería empezaron a practicarse, marca un punto de inflexión en la historia de la humanidad: la producción tanto agrícola como de la naciente industria se multiplica, a la vez que el tiempo de producción se reduce.

• A partir de 1800 la riqueza y la renta per cápita se multiplican como no lo habían hecho en la historia.

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Thomas Alva Edison

Thomas Alva Edison (1847 -1931) empresario e inventor estadounidense que patentó más de mil inventos y contribuyó a darles a Estados Unidos y  Europa, los perfiles tecnológicos del mundo contemporáneo: las industrias eléctricas, la telefonía, el fonógrafo, las películas, etc. Imagen en: http://www.librosmaravillosos.com

• Con la excepción del notable uso del magnetismo para la brújula en tiempos de los imperios, la electricidad evoluciona científicamente a partir de su tratamiento sistemático del siglo XVIII.

• En 1877 Thomas Alva Edison lleva a cabo uno de sus más importantes inventos: el fonógrafo. En 1879, consigue que su primera bombilla ilumine durante 48 horas y en 1880 se asocia con J.P. Morgan para fundar la General Electric.

• Cuando Einstein nace, la electricidad no sólo constituye un gran negocio, sino que también es el objetivo del desarrollo científico y tecnológico Alemán.

• En 1887, se funda el Physikalische – Technische – Reichsanstalt con el fin de abordar las ciencias exactas y la tecnología de precisión, institución científica alemana para la cual la Siemens dona medio millón de marcos.

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Nicola Tesla (1856-1943)

Imagen de Nicola Tesla (1856-1943), en thisismyboomstick.deviantart.com

En los años 1880, hubo una competencia económica y tecnológica por el control del incipiente mercado de generación y distribución de energía eléctrica, que enfrentó a Thomas Edison y Nicola Tesla:

T. A. Edison y J. P. Morgan pretendían la distribución de la corriente continua, mientras que George Westinghouse y Nicola Tesla defendían la corriente alterna.

A pesar de la popularidad de Edison fue la corriente alterna promulgada por Tesla la que predominó para la distribución de electricidad desde entonces hasta nuestros días.

• 1856: Nace en Croacia este inventor e ingeniero mecánico y eléctrico de origen Serbio.

• 1875: Ingresa a la Universidad de Graz y en 1880 a la Universidad Carolina de Praga.

• 1880 a 1882: Se empieza a forjar como inventor, primero trabajando en Praga y luego en París.

• 1884: Se traslada a New York, donde se hace asistente de Thomas Alva Edison.

• 1887: Construye un motor de inducción sin escobillas, alimentado con corriente alterna.

• 1889: Construye el laboratorio en Colorado Spring, con el objeto de desarrollar un transmisor de gran potencia.

• 1891: Patenta la Bobina Tesla, que es la base para la transmisión inalámbrica de la corriente eléctrica.

• 1893: Hace la primera demostración pública de radiocomunicación en San Luis (Missouri), dos años antes de que Marconi o Popov pudiesen hacerlo.

• 1894: Tesla empieza a investigar lo que después se llamará rayos X.

• 1897: Se patenta el sistema de transmisión unifilar inventado por Tesla en 1891.

• 1943: Muere en New York, pobre y en el olvido.

• 1943: Se le reconoce la invención de la radio, lograda 15 años antes de que Marconi lo anunciara como suyo en 1898, donde usa 17 patentes de Tesla.

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Nicola Tesla: Energía libre y gratuita

• Los inventos de Nicola Tesla en el campo del electromagnetismo a finales del siglo XIX y principios del siglo XX – como la bobina inalámbrica que lleva su nombre, el motor eléctrico del cual es el padre  y la corriente alterna, así como su trabajo teórico, forjaron en gran medida el surgimiento de la Segunda Revolución Industrial.

• Sus aportes fueron la clave para el desarrollo de los sistemas modernos de potencia eléctrica por corriente alterna (CA), incluyendo el sistema polifásico de distribución y el motor de corriente alterna.

• Tesla contribuyó en diferente medida en el desarrollo del láser, el neón, la radio, el radar; del control remoto, la robótica y las ciencias de la computación; de la balística y las armas estratégicas; y de la física nuclear y la física teórica.

Iluminando el mundo:

• Tesla propuso un «sistema mundial para la transmisión de energía eléctrica sin cables» basado en la conductividad eléctrica de la atmósfera terrestre.

• Pero dos hechos hicieron caer sobre el inventor serbio el peso de la ingratitud y el olvido, y que inventos como los suyos hayan sido ocultados:

• 1- Su negativa a compartir con la comunidad académica su producción científica.

• 2- Su interés por obtener una forma de generación y transmisión de energía gratuita para todo el mundo, en oposición con los intereses del mercado.

• Cuando muere Nicola Tesla (1943), el FBI intervine todos los documentos de su despacho, en los que constaban sus estudios e investigaciones.

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Segunda Revolución Industrial (1860-1914)

Con la globalización de la economía: en 1885,  Karl Benz construye en Mannheim (Alemania) el primer automóvil con motor de combustión interna. Imagen en: communicationovertim e.weebly.com

• Proceso de innovaciones tecnológicas, científicas, sociales y económicas nunca antes vistas, en el que el capitalismo madura como sistema económico y establece sus «pilares fundamentales», caracterizado por el crecimiento de flujos a nivel global: en el comercio, en el movimiento de capitales y en las migraciones.

• Inicia entre 1850 y 1870, cuando surgen nuevas y mejoradas técnicas de producción, y una nueva clase de industrias, como la industria química, la eléctrica y la automovilística. El final de este periodo suele fijarse en 1914, cuando comienza la Primera Guerra Mundial.

• Es en este período que se industrializan, además de Estados Unidos, nuevos países como el recién nacido Imperio Alemán, Rusia, Italia, Francia, Japón, y los Países Bajos.

• Gracias a la caída de los precios de los transportes, a los cambios estructurales en la producción y al desarrollo de las comunicaciones, se favorecen la globalización del comercio y la especialización de la economía internacional.

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Telegrafía y grandes monopolios

El padre y el tío materno de Einstein, Jacob, en 1881 abren en la fueras de Munich, una fábrica de instrumentos eléctricos, dinamos y lámparas de arco voltaico. Imagen en: www.educarchile.cl

• Como consecuencia de la gran crisis en la que los campesinos europeos van a la ciudad, Alemania prioriza su desarrollo basado en la Industria química y eléctrica, y en la investigación científica para transformar el carbón.

• Se forman grandes monopolios de grupos aplicados a la industria y la banca, como Siemens y Halske inaugurada en 1847, con sede en Berlín. En 1848, esta compañía construye una de las primeras líneas telegráficas europeas de Berlín a Frankfurt, y entre 1881 y 1882, construye en Berlín la primera línea de tranvía eléctrico del mundo y una ruta experimental de trolebuses.

• Entre 1847 y 1868 se instala el primer cable transatlántico; en 1870 Europa y Asia cuentan con una línea telegráfica que une a Londres y a Berlín con Calcuta y con Teherán; y en 1885 Siemens ha instalado otros cinco cables transatlánticos.

• Siemens, en 1913 controla el 50% del sector eléctrico-químico del mundo, mientras la otra mitad era controlada por EE.UU. a través de la General Electric y de un grupo, resultado de la fusión de tres empresas: Thomson, Houston y Edison Co.

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Un modelo educativo aburrido

Imagen de Einstein a los 14 años, en: www.rinconabstracto.com

• Albert, un niño lento y soñador, que a los 9 años hablaba vacilantemente, siendo de origen judío asiste a una escuela católica. En 1881 cuando tiene 2 años, nace su hermana Maja, la mejor amiga de Albert durante la niñez.

• Mientras, su tío Jacob como ingeniero, lo introduce a las matemáticas, su madre lo pone en contacto con la música y la literatura. Max Talmer, un judío alumno de Medicina que iba a cenar a la casa, pone a Albert desde los 11 años de edad, en contacto con obras científicas de los Best Sellers de la época. Por sus profesores rígidos y un sistema educativo de corte militar, Einstein sintió aburrida su primaria y secundaria.

• En 1894 quiebra del negocio familiar, y los Einstein se trasladan a Italia. Albert  no estudia ese año; su padre desea que se gradúe como ingeniero, pero él quiere ser profesor.

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En el Eidgenössische Technische Hochschule ETH

En época de exámenes, Grossman quien había advertido su lucidez, le facilitaba a Einstein los apuntes. Imagen: Einstein en rudimatematici- lescienze.blogautore.espresso.repub blica.it

• En 1896 se presenta al Instituto Politécnico de Zurich ETH, y no pasa: obtiene alto nivel en matemáticas, pero reprueba en francés, inglés, zoología y botánica. A finales de año aprueba e ingresa al ETH, lugar donde los alumnos cuestionaban el carácter teórico de los cursos y Albert que descollaba por su inteligencia, no asistía a las conferencias y mostraba una actitud desdeñosa hacia la educación formal, pero procuraba pasar el tiempo experimentando en el laboratorio.

• En el ETH traba amistad con el Ing. Michelangelo Besso quien lo introdujo en la obra de Ernst Mach, con Marcel Grossmann quien le ayuda a obtener su primer empleo en la Oficina de Patentes de Suiza, y con la matemática serbia Mileva Maric con quien se casa en 1903.

• En Zurich, donde arribaban los exiliados de Alemania y Rusia (Alexandra Kollontay, Trotsky, Rosa Luxemburgo y más tarde Lenin), Einstein se entera del socialismo revolucionario por su amigo y ayudante de física, Friedrich Adler.

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Electricidad y magnetismo

Imagen el Campo Electromagnético, en:  https://encrypted-tbn0.gstatic.com

• Los chinos conocen la Calamita o Magnetita, desde el 2600 a. C.; y también inventan la brújula para la navegación hacia el 900 a.C.

• Los griegos, alrededor del 400 a.C. frotaban ámbar para atraer la paja (electricidad friccional).
• En 1726 el alumno de Newton Stephen Gray usa el cáñamo como conductor eléctrico.

• Coulomb en Francia, en 1785 expresa matemáticamente la ley de atracción entre cargas eléctricas.

• En 1800 el italiano Volta inventa la pila eléctrica de corriente continua usando zinc y cobre.

• En 1813, el danés Orsted encuentra la interrelación entre magnetismo y electricidad al mostrar un campo magnético asociado a una corriente eléctrica.

• En 1820, el francés Ampère inventa el primer telégrafo eléctrico, descubre que la dirección de la brújula depende de la dirección de la corriente eléctrica, y formula la ley de la mano derecha.

• En 1831, el británico Faraday obtiene corrientes eléctricas a partir de campos magnéticos variables.

• Galvani en Italia, con la “bioelectrogénesis” aplicada a cadáveres, hacia 1870 demuestra la verdadera naturaleza eléctrica del sistema nervioso.

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Interés por el electromagnetismo de Faraday, Maxwell y Hertz

Imágenes de Faraday, Maxwell y Hertz, en Wikipedia.org

Michael Faraday (1791-1867) Físico y químico británico fundador del electromagnetismo y de la electroquímica.

James Clerk Maxwell (1831-1879) Físico escocés, que desarrolla la teoría electromagnética clásica, y sintetiza todas las anteriores observaciones, experimentos y leyes sobre electricidad y magnetismo, y aún sobre óptica en una teoría consistente.

Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894) Físico alemán descubridor del efecto fotoeléctrico, demuestra que las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz y consigue la forma de producirlas y detectarlas.

• Faraday, es el fundador del Electromagnetismoy de la Electroquímica, puesto que descubre la inducción electromagnética que permite la construcción de generadores y motores eléctricos, y de las leyes de la electrólisis.

• Maxwel, ha sido considerado el científico del siglo XIX que más influencia tuvo sobre la física del siglo XX, por sus contribuciones fundamentales en la comprensión de la naturaleza.

• Hertz, quien reformuló las ecuaciones de Maxwell para tomar en cuenta su nuevo descubrimiento, probó experimentalmente que las ondas electromagnéticas pueden viajar a través del aire libre y del vacío, como había sido predicho por Maxwell y Faraday.

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Movimiento browniano

Imagen: Movimiento Browniano en tres dimensiones. En es.wikipedia.org

• El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en algunas partículas microscópicas que se hallan en un medio fluido.

• Se trata de un movimiento estocástico de pequeñas partículas, es decir, de un comportamiento dinámico determinista de moléculas, cuando su superficie resulta bombardeada por las moléculas del fluido, lo que ocurre en un medio térmicamente agitado.

• El bombardeo que no siempre es completamente uniforme y que presenta variaciones estadísticas importantes, fue descrito matemáticamente en 1905, mediante una ecuación diferencial parcial, por Albert Einstein.

• El nombre a este fenómeno se le ha dado en honor al biólogo y botánico escocés Robert Brown, quien en 1827 lo descubre observando al microscopio partículas de polen flotando en el agua.

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Celebre experimento

Representación del concepto del “viento de éter “ para un experimento de pequeña escala y baja precisión, cuya exactitud de segundo orden es ~ (v / c) 2. Figura: http://alfachallenge.blogspot.com/

• Los estadounidenses A.A. Michelson (1852-1931) y E.W. Morley (1838-1923) intentaron en 1887 con un experimento en Cleveland que paralizó a Chicago, detectar el movimiento de la tierra a través del éter con un interferómetro, sin conseguirlo.

• La necesidad del éter como medio para explicar la propagación de la luz y el calor radiante desapareció por completo en 1905 cuando A .Einstein (1879-1955) postuló:

“La velocidad de la luz en el espacio es constante, independientemente de cual pueda ser el movimiento del observador o de la fuente”.

• Esta afirmación constituye uno de los pilares de la teoría de la relatividad.

Una de las constantes de la naturaleza más importantes, es la velocidad de la luz en el vacío: c = 300 mil km/s,  que según la Teoría de la Relatividad es un límite superior a la velocidad de cualquier objeto.

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La Teoría de la Relatividad 1

Imagen: Albert-Einstein 1915 a 1920-  En, fu-berlin.de

• La teoría de la relatividad, formulada por Einstein, tuvo dos formulaciones diferentes.

• La primera en 1905, conocida como la Teoría de la relatividad especial soportada en dos trabajos publicados en los “Annalen der Physis”. Esta se ocupa de sistemas que se mueven uno respecto del otro con velocidad constante.

• La segunda, denominada en su obra de 1916 Teoría de la relatividad general, que se ocupa de sistemas que se mueven a velocidad variable.

• Los postulados de la relatividad especial son dos; el primero afirma que todo movimiento es relativo, y el segundo que la velocidad de la luz es constante con respecto a cualquier observador, y cuyo resultados más importante fue la equivalencia entre masa y energía, expresada en la fórmula E=mc².

• La Teoría de la Relatividad Especial generaliza la mecánica de Newton, al explicar los movimientos de los cuerpos cuando éstos se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz.

• Además, la gravedad es una fuerza de atracción universal que rige el comportamiento de todos los objetos con masa, desde un electrón hasta una estrella.

• La fuerza que se experimenta en un sistema acelerado, tiene la misma naturaleza que la atracción gravitacional entre masas, por ejemplo la fuerza que ejerce la Tierra sobre la Luna.

• En cualquier sistema de referencia en movimiento, el tiempo se dilata, todo se contrae en la dirección del desplazamiento y los cuerpos materiales aumentan su masa.

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La Teoría de la Relatividad 2

• Para pasar de la Teoría Especial de la Relatividad a la Teoría General de la Relatividad, fueron claves para Albert Einstein los aportes de:

• James Clerk Maxwell (1831-1879) en el electromagnetismo, una teoría macroscópica, por ser solo aplicable a un número muy grande de partículas y a distancias que escapan a los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

• Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) y Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) en el concepto de campo, entendido como una distribución espacial de una magnitud física que muestra cierta variación en el espacio, matemática y gráficamente, representable mediante una función que los define y líneas o superficies de igual magnitud.

• Hermann Minkowski (1864-1909) y Bernhard Riemann (1826-1866), sobre espacio. Mientras en el espacio de Minkowski se pueden distinguir tres dimensiones espaciales y una dimensión, que representan al espacio-tiempo, en el espacio de Riemann las geodésicas muestran comportamientos atípicos respecto a la geometría euclidiana, por ejemplo de un espacio con curvatura negativa. Según Albert Einstein cuando un cuerpo queda libre de toda fuerzacon su trayectoria mostrará la forma del espacio-tiempo.

• Contrario a lo que aporta la física clásica, la geometría del Universo no es euclidiana, sino en cuatro dimensiones, y además cerrado y finito.

• El espacio se curva por cuerpos con gran masa.

• La Teoría General de la Relatividad y la Teoría Especial de la Relatividad, cambian y transforman los conceptos de distancia y de duración.

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Max Planck (1858-1947)

Imagen: Max Planck en  www.godisreal.today

• Max Karl Ernest Ludwig Planck fue un físico y matemático alemán considerado el fundador de la teoría cuántica, y galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918.

• Ignorado al principio por la academia, conforme estudia la teoría del calor, paso a paso descubre los mismos principios ya enunciados y no publicados por Josiah Willard Gibbs, al tiempo que se sumerge en las ideas sobre la entropía de Rudolf Clausius, quien establece el concepto de sistema termodinámico en la década de 1850.

• En 1900, descubre la “Constante de Planck” h, valor fundamental de la teoría de la mecánica cuántica, para calcular la energía de un fotón, y que establece la proporcionalidad entre la energía E de un fotón y la frecuencia f de su onda electromagnética asociada, mediante la siguiente ecuación:

• El valor de la constante de Planck h, es 6,626 por 10 a la -34  julios por segundo o también 4,13 por 10 a la menos-15 electronvoltios (eV) por segundo.

• No sólo la energía de un cuanto o fotón depende de la frecuencia de la radiación, sino que también la radiación no puede ser emitida ni absorbida de forma continua, salvo en determinados momentos y pequeñas cantidades denominadas cuantos o fotones.

• Un año después descubre la denominada Ley de Planck, sobre la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada, una de las bases de la mecánica cuántica con la cual se explica el espectro de emisión de un cuerpo negro.

• La Mecánica Cuántica emergerá años más tarde, con la colaboración de Albert Einstein y Niels Bohr, entre otros.

• En cosmología, el tiempo de Planck representa el instante de tiempo más pequeño en el que las leyes de la física pueden ser utilizadas para estudiar la naturaleza y evolución del Universo.

• Similarmente, la longitud de Planck (ℓP) u hodón, es la distancia o escala de longitud por debajo de la cual se espera que el espacio deje de tener una geometría clásica.

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Relatividad Especial (1905) 1

Representación de la curvatura del espacio en R2, como una malla  elástica tensa y horizontal que luego resulta deformada por una masa esférica. Imagen: en.Wikipedia.org (Adaptada)

• Según la ecuación E=mc2 masa y energía son dos aspectos de la misma cosa. Esta relación es considerada un Principio debido a que no tiene una demostración general y a que se comprobó su validez universal.

• Dicha expresión implica que la presencia de una cierta cantidad de masa conlleva una cierta cantidad de energía, aunque la primera se encuentre en reposo.

• También indica la relación cuantitativa entre masa y energía en cualquier proceso en que una se transforma en la otra.

• En mecánica relativista la energía en reposo de un cuerpo es el producto de su masa por su factor de conversión c2 .

• El postulado de la relatividad: “La velocidad de la luz es la misma para cualquier observador, en cualquier dirección, independientemente del movimiento del observador o de la fuente de luz”, no solo cambia el concepto de velocidad, sino que también derrumba los conceptos de tiempo y espacio absolutos.

• Sea cual fuere la velocidad a la que un objeto se mueve, ciertos procesos, como la velocidad de la luz, resultan invariantes.

•  Albert Einstein propuso la naturaleza cuántica de la luz mediante el efecto fotoeléctrico.

• En el contexto de la física clásica, el modelo corpuscular de la luz y el modelo ondulatorio son incompatibles; pero en el marco de la física cuántica, el comportamiento dual de la luz como onda y partícula, se ha integrado en un modelo coherente.

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Relatividad Especial (1905) 2

Einstein tuvo que elegir entre el principio de relatividad donde el espacio-tiempo es un concepto básico e indivisible en cualquier sistema de referencia en reposo o en movimiento uniforme, y la física clásica de Galileo y Newton que estudia el movimiento de partículas y sólidos en un espacio euclídeo tridimensional con tiempo absoluto. Imagen: Transformaciones de Galileo, en: cuentos-cuanticos.com

• A finales del siglo XIX los físicos pensaban que la mecánica clásica de Newton, basada en la llamada relatividad de Galileo, describía los conceptos de velocidad y fuerza para todos los observadores.

• La relación funcional entre las coordenadas de dos sistemas de referencia inerciales (O y O’) con una velocidad relativa entre ellos V, conocida como Transformaciones de Galileo, es:

• El postulado básico de la relatividad restringida es que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia.

• Para entender este principio, resultan fundamentales las nociones de “sistema de referencia” y de “evento”.

• Un sistema de referencia es un conjunto de observadores inmóviles uno con relación al otro, donde los mismos observadores determinan las mismas distancias y duraciones entre cualquier conjunto de eventos.

• Lo anterior tiene importantes consecuencias, y una de ellas es que la simultaneidad de dos eventos no es absoluta.

• Aunque Espacio y Tiempo en un sistema de referencia dado, cambian respecto a otros sistemas de referencias, la velocidad de la luz es un invariante. La masa y la energía son conceptos equivalentes.

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Topología para una geometría

Elipsoides y paraboloides. Imagen en: http://sebastianmunozcalculovectorial.blogspot.com.co/ 

La idea de Einstein es la del espacio curvo, y para ella aprendió de Marcel Grossman (1878-1936) la geometría de Riemann, del modo como lo hizo Hawking con Roger Penrose (1931-)  para aprender técnicas topológicas de la teoría de las singularidades, aplicables a los agujeros negros.

La Topología es el estudio de aquellas propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas.

El ejemplo más sencillo de un tensor métrico, es el del espacio euclídeo tridimensional, expresado en coordenadas cartesianas, cuyas representación matricial es la matriz identidad de componentes g {uv}: (Ver ecuación)

El contenido material del Universo está dado por el tensor energía- impulso. Dicho tensor puede ser calculado a partir del tensor métrico.

El tensor métrico es el objeto matemático que permite calcular “distancias” y otros conceptos métricos en relatividad general. Además a partir de sus derivadas puede construirse el concepto de curvatura.

En la geometría de Riemann, el tensor métrico es un tensor de rango 2 que se utiliza para definir conceptos métricos como distancia, ángulo y volumen en un espacio localmente euclídeo.

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Marcos referenciales 1

Imagen: contracción del espacio

• Con el movimiento acelerado, el espacio-tiempo cambia dentro del marco de referencia a fin de mantener iguales constantes como la masa y la carga eléctrica.

• A medida que aumenta la energía dentro de un marco de referencia, la distancia en el espacio-tiempo se contrae y el tiempo se dilata, de conformidad con la expresión

1 /√ (1- (v/c)2 ) denominada contracción de Lorentz- Fitzgerald.

• Esta expresión que aparece en las siguientes ecuaciones, establece como límite para la velocidad v de un objeto, la velocidad de luz c: el valor del radical se acercaría a cero.

La contracción de Lorentz es el efecto relativista de la contracción de la longitud de un cuerpo o la dilatación del tiempo para un objeto cuando su velocidad v se acerca a la velocidad de la luz c.

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Marcos referenciales 2

• Si cualquier observador puede considerase siempre en reposo, otros observadores en movimiento también pueden suponer que están en reposo.

• Cada observador debe aceptar todas las observaciones, propias y ajenas. Los desacuerdos proceden de “inferencias”, que habrá que considerar incorrectas, las que generalmente proceden de estimar el tiempo de los sucesos lejanos.

• Dos sucesos que ocurren en lugares distintos, pueden ser simultáneos para un observador y ocurrir en instantes distintos para otro.

• La velocidad de la luz (en vacío) es igual a esta constante y por lo tanto su valor no cambia por cambio de sistema de referencia inercial.  En el marco de la cinemática relativista, la velocidad de la luz “c” es una constante que une el espacio y el tiempo, en una estructura unificada de espacio-tiempo.

• Si la energía total de una partícula en reposo, “almacenada” en su masa propia, está dada por  E=m0 c2

• Entonces, dado que para dos observadores inerciales en movimiento relativo, la única magnitud que tiene valor distinto, es la velocidad v de la partícula, puede valorarse la energía E total de una partícula libre de masa propia m0 constante y de velocidad v, en función de la cantidad de movimiento relativista p, así:

• De ese modo se muestra la equivalencia entre masa y energía expresada en relación a la cantidad de movimiento p, mediante la contracción de Lorentz-Fitzgerald, con una expresión que corresponde a un invariante importante.

• Decimos que es un invariante, dado que la masa en reposo de una partícula libre, al igual que la longitud propia de un objeto o el tiempo propio de un fenómeno, según las expresiones dadas en el anterior aparte sobre marcos inerciales, debe ser la misma en cualquier sistema de referencia, o de lo contrario los sistemas inerciales no serían equivalentes.

• Nota: La masa propia m0 ha sido tomada como un invariante al hacerla constante, y establecer que para una partícula puntual, la única modificación posible cuando se le suministra energía, es que cambie su cantidad de movimiento p. La masa propia del cuerpo, es su masa a un sistema de referencia donde este no se mueve.

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Relatividad General (1915) 1

• La relatividad general (RG) fue desarrollada por Albert Einstein entre 1907 y 1915. De acuerdo a esta teoría, la atracción gravitacional observada entre masas se debe a la curvatura del espacio y no a fuerzas a distancia como en la teoría newtoniana de la gravedad.

• Para entender las ideas básicas de esta teoría resulta útil diferenciar Gravedad y Aceleración: para Albert Einstein la gravedad no podía actuar al instante, porque nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.

• Einstein, se preguntaba en 1907, si la gravedad es fuerza, por qué una persona en caída libre no siente su peso. Frente a la tesis de que es la deformación del espacio causada por la masa, lo que condiciona el movimiento de los cuerpos que caen, el concepto de fuerza resultaba innecesario. Igualmente, si la trayectoria de la luz se curva en campo gravitatorio también lo hará en un sistema acelerado.

• En teoría general de la relatividad el caso de la aceleración es más complicado, ya que debido a que el propio espacio es curvo, una partícula sobre la que no actúa ninguna fuerza puede seguir una trayectoria curva.

• En la teoría moderna de la Gravedad, la Ecuación de Campo de Einstein, es la siguiente:

donde:

• Rμ se conoce como el tensor de Ricci,
• gμ es la métrica del espacio-tiempo,
• R es el escalar de curvatura y
• Tμ es el tensor energía-momento.

• La parte izquierda de la ecuación nos habla de la geometría del espacio-tiempo, su métrica y curvatura; la parte derecha, representa el contenido de materia o energía, presente en ese espacio-tiempo.

• La materia le dice al espacio como curvarse y el espacio a la materia cómo moverse

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Relatividad General (1915) 2

Einstein en la oficina de patentes de Berna. En: einstein.unican.es

• Los principales fundamentos de la RG son:

• 1- El principio de equivalencia, que afirma: “un sistema inmerso en un campo gravitatorio es puntualmente indistinguible de un sistema de referencia no inercial acelerado”. Es decir, “Ningún experimento realizado en un único lugar puede distinguir un campo gravitatorio de un sistema de referencia acelerado”. La gravedad se convierte, en virtud del Principio de Equivalencia, en una fuerza aparente, como la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis.

• 2- La dilatación temporal del tiempo, que se manifiesta en dos circunstancias: En la relatividad especial, donde la dilatación del tiempo es recíproca: vista como dos relojes que se mueven uno con respecto al otro, será el reloj de la otra parte aquél en el que el tiempo se dilata. En la relatividad general, no es recíproca: un observador en lo alto de una torre observará que los relojes del suelo marcan el tiempo más lentamente, y los observadores del suelo estarán de acuerdo.

• 3- La métrica del espacio-tiempo como una variedad diferenciable, que se trata matemáticamente como variedad pseudoriemanniana ya que existen tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal, donde la curvatura del espacio viene definida por el tensor de curvatura de Riemann.

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Relatividad General (1915) 3

Imagen: Cono de Luz, en: teoria-de-la-relatividad.blogspot.com.co (ADAPTADA)

• El Principio de Equivalencia, dice “Ningún experimento realizado en un único lugar puede distinguir un campo gravitatorio de un sistema de referencia acelerado”.

• La atracción gravitacional es la manifestación  de la curvatura del espacio, causada por la presencia de materia y de energía.

• Gracias al matemático ruso de origen lituano Minkowski, el espacio y el tiempo fueron unificados en un solo concepto básico e indivisible: el Espacio-Tiempo.

• La métrica de Karl Schwarzschild (1873-1916), es una solución exacta de las ecuaciones de Einstein del campo gravitatorio, en la que se describe el campo generado por una masa esférica.

• Si antes de la TG podíamos hablar acerca de un “ahora”, un “pasado” y un “futuro” común universal, a partir del advenimiento de la Teoría Especial de la Relatividad, para cada observador hay un “pasado”, un presente y un “futuro”, delimitados por el cono de luz.

• En la ecuación de la geometría del Espacio-Tiempo (1915):

Rmn -½gmn R  = Tmn

• El primer miembro de esta ecuación alude a la Métrica del Espacio-Tiempo, y el segundo miembro a la Densidad de Materia y Energía.

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La solución de vacío

Einstein: http://calnewport.com

• Una región del vacío es una distribución Lorentziana y una región en la cual el tensor de Einstein desaparece.

• En el vacío el tensor de masa = 0.

• Si se introduce la Constante Cosmológica A, sólo se deja de lado para aplicarla al vacío donde el tensor de masa es nulo, obteniéndose la solución

Rik = 0.

• La solución de vacío es una fórmula célebre por la fotografía que le toman a Albert Einstein  diciendo al escribirla “parece fácil”, 1920.

• La solución para el vacío aplicada a una estrella, conduce a la predicción de un horizonte de sucesos más allá del cual no se puede observar. Predice la posible existencia de un agujero negro de masa dada, M.

• Las ecuaciones de campo de Einstein para el espacio libre son no-lineales y por lo tanto muy complicadas, siendo difícil obtener soluciones exactas.

• En 1917, Einstein aplicó su teoría al Universo en su conjunto. En su apuesta incluye a sus ecuaciones una constante cosmológica, para satisfacer la idea de un universo estático.

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La constante Cosmológica 1

• En relatividad general, la constante cosmológica propuesta por Albert Einstein en 1915, es una modificación de su ecuación original del campo gravitatorio, introducida para para conseguir una solución que diera un universo estático.

Einstein resolvió sus ecuaciones, modelando la materia del Universo como un fluido de partículas homogéneamente distribuido en el espacio.

• Lo hizo Einstein al abordar con su teoría general la idea del Universo estático, isotrópico y homogéneo concepción que ya venía sustentada en las observaciones astronómicas desde los tiempos de Newton, ajustado al Principio Cosmológico según el cual el Universo observado es el mismo, sin importar desde qué punto o en cuál dirección se esté observando.

Pero al conocer el corrimiento al rojo de las galaxias observado por Edwin Hubble, como evidencia de que el Universo no es estático, Einstein se aparta de su idea de un universo estacionario.

La “constante cosmológica” representa hoy día un papel fundamental, tanto en el contexto de la física teórica, como en la astronomía, astrofísica y cosmología, donde sus implicaciones apenas se empiezan a comprender.

El problema con la constante cosmológica se puede dividir en dos cuestiones fundamentales que hoy por hoy no tienen una respuesta dentro de la física y de la cosmología estándar. Estas son:

• 1. ¿Por qué la expectativa de los cálculos cuánticos para la energía de vacío es de unos 1091 g/cm3, mientras que el valor observado pone un límite superior de unos 10-30 g/cm3? ¿Podría existir algún mecanismo desconocido (del tipo de la super simetría) de supresión muy efectivo que disminuya su valor en al menos 120 órdenes de magnitud?

• 2. ¿Por qué el valor observado de la constante cosmológica contribuye a una densidad de energía cósmica del mismo orden de magnitud que la contribución de la materia?. ¿Por qué habríamos de vivir en una época del universo donde a priori se da esta coincidencia?

Hasta hoy sólo se ha dado una posible respuesta a estos dos interrogantes. Los ingredientes de esta respuesta son, por un lado el escenario de Inflación Caótica, y por otro el Principio Antrópico Débil.

Las técnicas observacionales recientes basadas en lentes gravitacionales han permitido determinar para la constante Cosmológica, un valor diferente de cero.

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Teorías del Campo Unificado y del Todo

• La Teoría del Campo Unificado pretende unificar las dos teorías de campo previamente consideradas diferentes, mediante una estructuración matemática que puedan describir las interacciones fundamentales entre las partículas elementales.

• Aunque en 1820 Hans Christian Oersted descubrió una conexión entre electricidad y magnetismo; se requirieron décadas para que surgiera la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell.

• Posteriormente, aparecen los intentos de unificar gravedad con magnetismo que se remontan a los experimentos de Michael Faraday,  de 1849-50.

• Después de formulada la relatividad general por Einstein en 1915, la búsqueda de una teoría del campo unificado que combine gravedad con electromagnetismo, se tornó más seria.

• Tras afirmarse que no existían más fuerzas fundamentales, aparecen diferentes propuestas, hasta llegar a la más notable de todas dada por Albert Einstein, intentando unificar la gravedad y el electromagnetismo generalizando su teoría general de la relatividad, pero ninguna de ellas con éxito.

• La Teoría del Todo en la Física moderna, podría unificar todas las interacciones fundamentales de la naturaleza. No obstante, además de las cuatro fuerzas fundamentales, la moderna cosmología requeriría una fuerza inflacionaria, energía oscura, y materia oscura compuesta de otras partículas fundamentales, no consideradas en el modelo estándar.

• En astrofísica y cosmología física la materia oscura es una forma hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya existencia se infiere a partir de los efectos gravitacionales que causa en su vecindad.

• Similarmente la energía oscura, es para la cosmología física una forma de materia o energía que presente en todo el espacio, produce una fuerza gravitacional repulsiva inflacionaria, que aceleraría la expansión del Universo.

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La constante Cosmológica 2

• El tensor en general está dado por:

• Donde A es la constante cosmológica, T es el tensor de energía-impulso, R expresa la curvatura del espacio, y grepresenta la métrica. Cuando A es cero, se obtiene la ecuación original de la relatividad general. La solución de vacío está representada por un tensor T dado por:

La constante cosmológica A equivalente en una densidad de energía intrínseca del vacío, es:

El tensor métrico del espacio-tiempo plano de Minkowski, en coordenadas galileanas o inerciales, toma la siguiente forma:

Y la distancia tetradimensional, que se representa mediante la expresión:

puede ser espacial, cuando ds2 es negativo, temporal si ds2 es positivo) y nula cuando:

ds2 = 0.

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Expansión relativista

La imagen, Espacio contra Tiempo, muestra las velocidades de las galaxias A,B,C,D,E, F y G.

• Edwin Powell Hubble (1889 – 1953) fue uno de los más importantes astrónomos estadounidenses del siglo XX, y es considerado el padre de la cosmología observacional, principalmente por haber descubierto en 1929 la expansión del Universo, midiendo el corrimiento al rojo en el espectro de galaxias distantes.

• Dicha expansión del espacio al ser relativista, difiere de cualquier otro tipo de expansión, como la observada en el movimiento propio de las galaxias. Si el “tiempo propio” de acuerdo con Einstein varía de un lugar a otro con la métrica del espacio, el concepto de “tiempo universal” es un promedio estadístico del tiempo en un momento dado del Universo.

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El Universo de Einstein

 Imagen: La edad del universo, es función de la curvatura, la que depende de su masa.http://galeón.com/guiaastronomica

Entre 1915 y 1916, Albert Einstein tras formular la teoría de la relatividad general, desarrolla el primer modelo matemático del Universo que será referente de los modelos cosmológicos: se trata de un universo estático para el cual introduce la constante cosmológica soportada en el principio de un Universo homogéneo e isótropo a gran escala.

La visión completamente revolucionaria de Einstein sobre un Universo relativista, donde la materia, el espacio y el tiempo son tres elementos íntimamente interconectados entre sí, y en el cual la gravedad se  interpreta como una curvatura del espacio, causa escepticismo general, al presentar hipótesis que exigían mayores pruebas.

Para el efecto sobre la luz, causado por campos gravitacionales, el eclipse del 29 de mayo de 1919 permitió medir el desvío en 1,7” de arco, causado por el Sol, en la trayectoria del rayo de luz de las estrellas de las Híades, según lo que se había pronosticado con lo sugerido por Albert Einstein.

El responsable de verificar la curvatura de la luz en un campo gravitatorio, fue el astrónomo inglés Arthur Stanley Eddington (1822-1944) quien comprobó, el fundamental hecho desde la isla Príncipe, en la costa este de África, petición de la Real Sociedad.

El titular del New York Times del 6 de noviembre de 1919, al conocerse la conferencia de Eddington, dice:  “Descubierto un nuevo Universo”.

Con la prueba, Albert Einstein se hace célebre de la noche a la mañana, y se consolida su teoría que resuelve de forma definitiva los problemas de la física clásica.

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Cuatro fuerzas fundamentales

En el tiempo, después del Big Bang, a los 10-43 segundos, la gravedad es la primera fuerza que surge, y a los 10-35 segundos se separa la fuerza nuclear fuerte. La figura muestra la secuencia.

• En física, se denominan fuerzas fundamentales a las interacciones que explican los cuatro tipos de campos cuánticos, mediante los cuales interactúan los bosones con los fermiones.

Los fermiones elementales se dividen en dos grupos:

• Los Quarks, que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte, y los Leptones, entre los que se encuentran los electrones y otras que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil.

Las cuatro fuerzas son la gravedad, el electromagnetismo y dos fuerzas más a escala atómica.

• La Gravedad, una fuerza unidireccional de más largo alcance aunque poco intensa, y que responde por la estructura del Universo a gran escala; el Electromagnetismo, fuerza de largo alcance, con polaridad y que es la base de las reacciones químicas que une a los átomos entre sí; la Interacción Nuclear Fuerte, fuerza de corto alcance que une neutrones y protones (ver fusión y fisión nuclear); y la Interacción Nuclear Débil, fuerza de corto alcance que explica la unión de partículas alfa y beta de la radiactividad espontánea.

En intensidades, el orden de las cuatro fuerzas es:

I Nuc. F > F E-Mag >I Nuc. D> F Grav

En el Modelo Estándar, la Gravedad se explica por gravitones, el Electromagnetismo por los fotones, la Interacción Fuerte por los gluones, y la Interacción Débil por los bosones W y Z.

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El Universo Inflacionario

Gracias a los trabajos de Friedman en 1922 y Lemaître en 1927, en 1948 el físico ucraniano George Gamow soportado en la teoría del Núcleo Primordial, construye la teoría del Big Bang en la que plantea que el universo había surgido de una gran explosión. Imagen propia

• En la década de 1920, Sir James Jeans conjetura una cosmología basada en la hipotética creación continua de materia en el Universo. La idea es revisada en 1948 por Fred Hoyle, Thomas Gold, Hermann Bondi y otros.

• La teoría del estado estacionario afirma que aunque el Universo se está expandiendo, no cambia su apariencia con el tiempo (el principio cosmológico perfecto); no tiene principio ni fin.

• En contraposición surge la teoría del estado inflacionario de Bondi y Gold, dado que los cálculos teóricos mostraban que en relatividad general un Universo estático era imposible, y que las observaciones de Edwin Hubble habían mostrado un Universo en expansión.

• Los problemas con esta teoría comenzaron a surgir a finales de la década de 1960, cuando las evidencias observacionales empezaron a mostrar que, de hecho, el Universo estaba cambiando: se encontraron quásares sólo a grandes distancias, no en las galaxias más cercanas.

• La prueba definitiva vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, pues en un modelo estacionario, el Universo ha sido siempre igual y no hay razón para que se produzca dicha radiación omnidireccional con características térmicas.

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De la observación a la explicación

Algo pasa con Mercurio: el incremento anómalo de la precesión de su órbita, se explica por la mayor curvatura del espacio, en vecindades del Sol. El valor de ese avance del perihelio, es de 43 segundos de arco por siglo. Imagen en astroseti.org

• Además de esclarecer el desplazamiento del perihelio de Mercurio, el desvío de la luz y la existencia de ondas gravitatorias, las ecuaciones informaban sobre singularidades del E-t y explicaban la formación de las estrellas neutrónicas y agujeros negros. Incluso, pronosticaban la expansión del Universo. Estas fueron las buenas noticias.

• La mala noticia es que el dominio matemático de las fórmulas es difícil: 20 ecuaciones simultáneas con 10 incógnitas y las soluciones aparecen cuando hay simetrías o aparecen elementos ligados a la energía que las reducen o simplifican (solución de vacío).

• Si pudo ponerse a prueba la Teoría de la Gravitación de Newton descubriendo a Neptuno por las perturbaciones en Urano, no fue posible con esta teoría explicar la precesión de unos 43 segundos de arco por siglo, entre el valor observado y el calculado, para el perihelio de la excéntrica órbita de Mercurio.

• La argumentación de la discrepancia no aclarada por la Teoría de la Gravitación General, es ahora una dura evidencia experimental de la validez de la Teoría General de la Relatividad propuesta en 1915.

• La causa es el cambio de la curvatura del espacio a lo largo de la trayectoria del planeta, que se acentúa en las proximidades del Sol.
• La precesión es el cambio gradual de la dirección del eje de la órbita alrededor del Sol, a medida que gira el planeta.

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Solución de Schwarzschild 1915

Una singularidad. Imagen Compuesta y adaptada por GDE

• La geometría del matemático alemán Schwarzschild, que en 1915 le escribe enviándole a Albert Einstein un elegante análisis matemático, obtiene una solución exacta de las ecuaciones para el caso de un cuerpo esférico arbitrario.

• El resultado sorprende a Albert Einstein quien había logrado una solución aproximada y creía no se podía llegar a una solución exacta, como la del físico y astrónomo alemán Karl Schwarzschild (1873-1916).

• Este trabajo de Schwarzschild  no era de solución de 20 ecuaciones con 10 incógnitas en algebra, sino de ecuaciones diferenciales parciales no lineales de segundo orden, que es la desgracia de los estudiantes de doctorado en física.

• Así nace la expresión para calcular el radio de Schwarzschild “Rs” para el horizonte de sucesos del agujero negro, cuando existe una singularidad, de la cual se desprende una región de donde nada escapa, al menos para la física clásica y también para la TGR de Einstein (agujero negro).

• El agujero negro de Schwarzschild, es estático. En él sólo la masa M define el radio Rs que delimitar la región del espacio-tiempo, llamada horizonte de sucesos, una frontera que describe el espacio del cual la luz y cualquier objeto material, no pueden escapar.

• En un agujero negro en rotación, el horizonte de sucesos quedará determinado no sólo por su masa, sino también por su momento angular. Según las formulaciones de Einstein, un cuerpo masivo acelerado genera ondulaciones del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz, denominadas ondas gravitacionales.

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Niels Bohr (1885-1962)

Neils Born y Max Planck, en: www.alamy.com

• Niels Henrik David Bohr, físico danés que realizó contribuciones fundamentales para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica. Fue galardonado con el Premio Nobel de física en 1922.

• Basándose en las teorías de Rutherford en 1913 desarrolla un modelo atómico, introduciendo la teoría de las órbitas cuantificadas para explicar por qué los átomos presentan espectros de emisión característicos, y cómo los electrones pueden tener órbitas circulares y estables para moverse en torno al núcleo del átomo sin irradiar energía.

• Según su modelo, en mecánica cuántica el número de electrones de cada orbital en torno al núcleo atómico, aumenta desde el interior hacia el exterior.

• Los electrones, además, pueden pasar desde un orbital exterior a otro interior, emitiendo un fotón de energía discreta, hecho sobre el que se sustenta la mecánica cuántica.

• El electrón, dado que no tiene subestructura conocida o componentes, es una partícula elemental. Su masa es 1836 veces menor que la del protón. Cuando un electrón colisiona con un positrón, ambas partículas pueden aniquilarse y producir fotones de rayos gamma.

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El modelo mecánico-cuántico atómico

• En 1916, el físico alemán Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares cuantizadas a distancias definidas del núcleo.

• Propone que también podían girar en órbitas elípticas más complejas y calcula los efectos relativistas.

• El modelo atómico de Bohr funcionaba bien para el átomo de hidrógeno, pero no para átomos de otros elementos, dado que en los espectros se observaba electrones de un mismo nivel energético, con distinta energía.

• Para corregir la inconsistencia, introduce dos modificaciones básicas para los electrones: órbitas casi- elípticas y velocidades relativistas.

• El modelo atómico de Sommerfeld es una generalización del modelo de Bohr desde el punto de vista relativista, sin demostrar las formas de emisión de las órbitas elípticas.

• En 1924 el físico francés Louis De Broglie, descubre la naturaleza dual onda-partícula del electrón.

• En el modelo mecánico-cuántico los electrones ocupan alrededor del núcleo posiciones más o menos probables (orbital), pero su posición no se puede predecir con total exactitud.

• En el átomo, cada electrón ocupa un orbital atómico definido por el conjunto de números cuánticos los cuales a su vez determinan el nivel de energía: el Principal (n), el azimutal (l), el Magnético (m), y el spin (s).

• De la ecuación de Schrödinger surgen tres números cuánticos (n, l, m) y de la interpretación de los datos espectroscópicos el cuarto número cuántico (s).

• Según el Principio de exclusión de Pauli, en un mismo átomo no pueden coexistir dos electrones con los mismos números cuánticos; al menos deben diferenciarse por el spin (s).

• Mientras cada orbital viene caracterizado por una ecuación con tres números cuánticos {n, l, m}, un electrón involucra los cuatro: {n, l,m, s}.

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El Universo  de Hawking.

Connotado físico y cosmólogo británico, autor de la “Breve historia del tiempo”, nacido en 1942. Imagen en: es.wikipedia.org    

En 1995 dice Stephen Hawking, el Universo comienza de modo regular y ordenado, antes del Big Bang (estado inflacionario), pero concluye en la singularidad del Big Crunch de modo irregular y caótico: allí terminará el tiempo real, pero el Universo continuará existiendo.

El Universo de este connotado físico y cosmólogo británico, autor  de  la  “Breve  historia del tiempo”, nacido 1942, supone tres conceptos: • 1.  Inflación. • 2.  Fluctuaciones cuánticas. • 3.  Principio  Antrópico.

La Inflación: es un término surgido en 1970 para explicar la expansión del Universo y resolver al tiempo los dos problemas claves surgidos entonces:

• a)  ¿Por qué la curvatura del Universo tiende a cero?
• b)  ¿Por qué es tan uniforme la radiación de fondo?

– Lo de la curvatura cero, debido a que la rápida expansión del Universo, en su momento inicial, cuando alcanza un radio de 10 m, es la responsable de que se haya achatado.

– Lo de la radiación uniforme, porque la expansión inicial hasta los 300 mil años, cuando se separan radiación y materia, garantiza que se preserven las condiciones iniciales de homogeneidad del Universo.

• Recuérdese que en t = 0, masa y energía son uniformes.

• Pero la inflación que uniformó temprano el Universo, pudo crear las pequeñas variaciones de densidad, que explican las galaxias: los gérmenes de las galaxias surgen con el tiempo y el espacio, y con la materia primogénita en el Big Bang, hace unos 15.000 millones de años

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Radiación de Hawking

Radiación de Hawking, producida en el horizonte de sucesos de un agujero negro, debida a efectos de tipo cuántico. Imagen artística en: http://www.abc.es

Un  Agujero Negro se puede inferir por los efectos gravitacionales en su entorno, observando discos de acreción para detectar la irradiación de cuerpos calientes, como en el caso de Cignus X1: cuando la temperatura de un cuerpo o masa estelar superara el millón de grados centígrados, habrá emisión de rayos X.

• Hasta principios de 1970 se pensaba que los agujeros negros no emitían radiación desde su interior. Sin embargo, una consideración de Hawking sobre los efectos cuánticos en el horizonte de sucesos de un agujero, llevó a sugerir un proceso físico por el cual el agujero podría emitir radiación.

• Según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, en un horizonte de sucesos se pueden formar pares de partícula-antipartícula de corta duración, donde uno de los elementos del par caiga al agujero y el otro escape. En consecuencia, según el principio de conservación se requiere que el agujero disminuya su masa para compensar la energía que se lleva el par que ha escapado del horizonte de sucesos, para producir la radiación Hawking.

Entre los mitos sobre los agujeros negros, todos falsos, tenemos: 1. Que un agujero negro absorbería toda nuestra galaxia. 2. Que todas las estrellas mueren como agujeros negros. 3. Que el agujero negro de Cignus X1 está devorando su compañera gigante azul. 4. Que la materia de este lado sale a otro Universo. 5. Que la gravedad en el agujero negro es diferente a la de un cuerpo normal. 6. Que los agujeros negros son infinitamente densos.

• Al respecto: sólo las estrellas de gran masa final terminan como agujeros negros; y lo de Cignus X1 solo es un efecto; y la masa y radio del Horizonte de Sucesos, son limitados.

• La teoría de Hawking dice que los agujeros negros emiten una extraña radiación, que les hace perder masa.

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Universo Cuántico y Teoría del Todo

• El “Universo determinístico” de Einstein, resulta como punto de partida para el nuevo “Universo probabilístico” de la mecánica cuántica, donde la incertidumbre consustancial a la naturaleza tiene leyes que la gobiernen, máxime ahora cuando la Constante Cosmológica incorpora un papel fundamental en la ciencia del mundo.

• Según las observaciones obtenidas aplicando técnicas recientes se ha conseguido determinar un valor diferente de cero para dicha constante, y su papel como materia oscura en la expansión acelerada del universo.

• La materia oscura es una hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada. La materia oscura, la energía oscura y la antimateria son tres cosas absolutamente distintas.

La observación permite inferir:

1- Cómo la materia oscura influye en la velocidad orbital de las galaxias, ordenadas en los cúmulos.

2- El efecto de lentes gravitacionales de los objetos de fondo en cúmulos de galaxias.

3-La distribución de la temperatura del gas caliente en galaxias y cúmulos de galaxias.

• La antimateria, que puede producirse con aceleradores de partículas  se forma con antipartículas, mientras que la energía oscura es una fuerza gravitacional repulsiva que estaría acelerando la expansión del Universo.

• Mientras la materia oscura constituye cerca del 21% de la masa-energía del Universo observable, la energía oscura es el 70%.

• En los inicios del Universo, el Big Bang produjo la misma cantidad de materia y antimateria.

• La materia oscura también desempeña un papel central en la formación de estructuras y la evolución de galaxias y tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación de fondo de microondas.

• Si bien con la mecánica cuántica y la relatividad, se pudieron explicar fenómenos conocidos y predecir muchos otros, ambas teorías no presentan la coherencia necesaria para integrarlas en una sola, que permita abarcar el mundo subatómico y el universo a gran escala.

• Faltaría lo que se denomina la Teoría del Todo, para ofrecer un modelo simple que abrigue las interacciones fundamentales de la naturaleza. Einstein intentó durante los años finales de su vida desarrollar una “teoría de campo unificada” para todas las interacciones física y no lo consiguió.

• Recientemente han surgido dos teorías que podrían algún día evolucionar hasta la mencionada teoría unificada. Una es la Teoría M, una variante de la teoría de cuerdas basada en un espacio de 11 dimensiones. La segunda es la denominada teoría cuántica de bucles que postula que el propio espacio-tiempo estaría cuantizado dimensionalmente, algo que por ahora no ha sido demostrado.

• Determinar cuál es la naturaleza de la materia oscura, es uno de los más importantes retos de la cosmología moderna.

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Predicciones de la TG y Nueva Cosmología

Ecuación de  Schrodinger que expresa la dualidad onda-partícula, en : http://teoria-de-la-relatividad.blogspot.com.co 

Las predicciones de esta teoría, son:

• La Deflexión de la luz cerca del Sol, ya comprobada; el Corrimiento de la órbita de Mercurio, ya observado; la  Expansión del Universo, advertida con el Proyecto COBE; los  Agujeros Negros, como una singularidad o «curvatura del espacio-tiempo»; y el Efecto de la gravedad, dilatando el tiempo.

• Einstein, intentó la teoría del campo unificado. La teoría de Kaluza-Klein, amplia el espacio cuatri- dimensional de Einstein a un espacio de cinco dimensiones, aunque incompleta ya que no explica fenómenos que involucran las otras dos fuerzas de orden atómico, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.

Se ha intentado la fusión de la Mecánica Cuántica con la Teoría Especial de la Relatividad, pero no ha sido posible derivar la ecuación tensorial G = (8πG/c²)T de la ecuación de onda de Schrodinger, ya que en esta no se incorporó el comportamiento gravitacional de los átomos. Para el efecto, se ha propuesto como partícula elemental, clave para la construcción del espacio-tiempo, el gravitón.

La mecánica cuántica relativista, es una referencia a la Teoría Especial de la Relatividad, y no a la Teoría General de la Relatividad. Además, mientras el Universo de Einstein es determinístico, el Universo de la mecánica cuántica es probabilístico.

La Cosmología, cuenta con un nuevo escenario al que están apuntando las actuales evidencias observacionales:

• Universo plano de densidad crítica en expansión acelerada.

• Inflación: expansión exponencial en el universo primitivo.

• Inhomogeneidades producidas por fluctuaciones cuánticas amplificadas durante inflación.

• Composición: 2/3-3/4 de energía oscura y 1/4-1/3 de materia oscura.

• Composición material: 0,5% estrellas, 3-5% bariones (materia normal), 0,3% neutrinos, 25- 33% materia fría no bariónica.

• Edad del universo: 13-15 mil millones de años Temperatura actual del fondo cósmico de microondas: 2.725±0.001 K

• Constante de Hubble: 71±4 km/s/Mpc

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LA MUERTE DE UN GENIO

Imagen. Einstein, año 1947. En noespocacosa.files.wordpress.com

• El 16 de abril de 1955, tras una hemorragia interna causada por la ruptura de un aneurisma de la aorta abdominal, muere este notable científico cuyos logros en el campo de la física teórica que son ampliamente conocidos, lo erigen como una de las mentes más notables del siglo XX.

• Albert Einstein había rechazado la cirugía, diciendo: “Quiero irme cuando quiero. Es de mal gusto prolongar artificialmente la vida. He hecho mi parte, es hora de irse. Yo lo haré con elegancia”.

• Murió a la edad de 76 años, a primera hora del 18 de abril de 1955, en el Hospital de Princeton.

• Dice la historia que en la mesilla quedaba el borrador del discurso para ser leído frente a millones de israelitas con motivo del séptimo aniversario de la independencia de Israel, el que jamás llegaría a pronunciar y que empezaba así:“Hoy les hablo no como ciudadano estadounidense, ni tampoco como judío, sino como ser humano”.

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El legado

• Einstein, una de las mentes científicas más prominentes de su siglo, contemporizó con su época como pacifista y defensor de la vida, e intervino en beneficio de la humanidad en momentos decisivos y siniestros del siglo XX. Popularizó su Teoría General de la Relatividad cuando el analfabetismo colmaba los escenarios de vastos sectores de la población, y despertó la curiosidad por la ciencia y por los misterios de la naturaleza.

• Con su teoría de la relatividad, además de impulsar la mecánica cuántica y la mecánica estadística moderna, Einstein abre nuevos horizontes para la cosmología, la astronomía observacional, la astrofísica, la química y la biotecnología. Con el Espacio-Tiempo integrado, Einstein pretendía una unificación aún más amplia entre dos teorías, la de la Gravitación Universal de Newton y la del Electro- Magnetismo de Maxwell, un objetivo que en nuestro días continúa siendo prioritario para la ciencia.

• Retraído y tímido, con dificultades para expresarse, lento para aprender en sus primeros años, pero dotado de sensibilidad por la música y las matemáticas, pudo señalar por qué no es posible superar la velocidad de la luz, encontrar la equivalencia entre masa y energía, integrar como un continuo inseparable Espacio y Tiempo, y explicar la gravedad como una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo, causada por la masa contenida.

• Además de pronosticar la desviación de la luz y la dilatación del tiempo en un campo gravitacional, en sus trabajos anuncia la contracción de la longitud y del tiempo para un cuerpo que se desplaza a velocidades cercanas a la luz.

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Fuentes Bibliográficas y de Consulta

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  • Albert Einstein. Archives online. In: http://www.alberteinstein.info/
  • Albert Einstein – Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein
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  • Artículos y notas para el Contexto de Astronomía del OAM. Duque-Escobar Gonzalo (2015).https://godues.wordpress.com/2016/01/19/articulos-y-notas-para-el-contexto-de-astronomia-del-oam/
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  • Ciencias aeroespaciales: retos temáticos y organizacionales para el PND. Duque-Escobar Gonzalo (2011)http://www.bdigital.unal.edu.co/3713/2/gonzaloduqueescobar.201141.pdf
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  • Reflexiones en los diez años de Samoga. GDE, en:http://www.bdigital.unal.edu.co/3180/1/gonzaloduqueescobar.20115.pdf
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  • Temas de Ciencia, Tecnología, Innovación y Educación, GDE, en:https://godues.wordpress.com/2012/06/22/temas-de-ciencia-tecnologia-innovacion-y-educacion/
  • Teorías cosmogónicas. Gonzalo Duque-Escobar (2002) Guía Astronómica Nº12. Universidad Nacional de Colombia http://www.bdigital.unal.edu.co/1700/14/guia12.pdf
  • The Life of Albert Einstein. Liz Hofreiter. ETE 100 03. Bradley University. August 29, 2005http://www.slidefinder.net/t/the_life_albert_einstein_liz/lizhofreiter/26162557
  • Tierra sólida y fluida. Duque-Escobar Gonzalo http://www.bdigital.unal.edu.co/1572/263/tierrasolidayfluida.pdf
  
  

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Gracias

Imagen: Observatorio Astronómico de Manizales OAM  http://oam.manizales.unal.edu.co

• Gonzalo Duque Escobar: Profesor de la Universidad Nacional de Colombia, Miembro de la Red de Astronomía de Colombia RAC y Director del Observatorio Astronómico de Manizales OAM http://godues.webs.com

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