Efecto Fotoelectrico

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón, impactan con los electrones de un metal arrancando sus átomos. El electrón se mueve durante el proceso, dado origen a una corriente eléctrica. Este fenómeno es aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía lumínica del sol transformándola en electricidad. 

Albert Einstein publicó en 1905 varios artículos entre los cuales uno trataba del efecto fotoeléctrico y por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1922. Mucho antes, en 1900, Max Plank había explicado el fenómeno de la radiación del cuerpo negro sugiriendo que la energía estaba cuantizada, pero Einstein llegó aún más lejos explicando -de acuerdo a los cuantos de Plank- que no solo la energía sino también la materia son discontinuas. 

Electricidad producida por el efecto fotoeléctrico 

Sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo éstos portadores de cargas eléctricas negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente eléctrica. La corriente es igual al número de cargas en movimiento entre un intervalo de tiempo. 

i = d(Q)/dt 

i: Es la corriente eléctrica 

Q: Es la carga eléctrica que atraviesa el área transversal de un conductor. 

d/dt: Es un operador que indica la variación de cargas eléctricas respecto del tiempo. 

Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz a una sola frecuencia, digamos la luz solar, se produce electricidad en su interior de esta manera: la luz cuando viaja se comporta como una onda, pero al intercambiar su energía con cualquier objeto lo hace como una partícula que es llamada fotón. Cuando el fotón choca con un electrón de un átomo de la lámina metálica, desaparece y cede toda su energía al electrón, expulsándolo hacia otro átomo. Esta expulsión electrónica es precisamente la corriente eléctrica. 

Como el fotón desaparece durante la colisión, se hace fácil comprender que la energía de movimiento absorbida por el electrón depende de un solo fotón. Esto nos indica que la electricidad resultante no depende de la intensidad de la luz, sino más bien de la energía que porta el fotón. 

E = hF 

'E' Es la energía que porta el fotón; 'h' es la constante de Planck, y 'F' es la frecuencia del fotón de luz. 

Tomando en cuenta que la lámina metálica contiene una cantidad enorme de átomos, debe contener una cantidad mayor de electrones y como la frecuencia de la onda lumínica es la misma, su intensidad será la misma; así cada electrón expulsado absorbe la misma cantidad de energía. 

Cantidad mínima de energía para expulsar un electrón 

Si '&' es la cantidad mínima de energía que necesita el fotón para expulsar un electrón del átomo, entonces la máxima cantidad de energía que necesita el electrón para abandonar su átomo y salir hacia otro, está dada por la ecuación: 

E = hF-& 

En este caso 'E' será la energía necesaria para producir la corriente eléctrica y '&' será el trabajo que realiza el fotón.

Fuente: http://www.walter-fendt.de/ph14s/photoeffect_s.htm

La Radiación del Cuerpo Negro y La Catástrofe del UV

El cuerpo negro es un sistema físico (ideal) que presenta enormes sorpresas. Bajo estas circunstancias es justo que le dediquemos una entrada en el blog. Intentaremos hacerlo muy visual y que se pueda entender el fundamento del por qué hubo que recurrir a un cambio de ideas en física para explicar su comportamiento.

El sistema ideal cuerpo negro

Un cuerpo, por el hecho de estar a una determinada temperatura, emite radiación. Se sabe que la radiación es emitida en todas las frecuencias pero emite más intensamente para una frecuencia específica que se puede calcular sabiendo su temperatura. Es por eso que vemos las estufas de resistencia ponerse al rojo cuando las encendemos.

Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación (en todas las frecuencias) que le llega. Generalmente se piensa en un cuerpo negro como en una caja cerrada donde la materia y la radiación están en equilibrio. Por lo tanto, todo lo que es absorbido vuelve a ser emitido y la radiación está, de manera efectiva, rebotando por las paredes. Este sistema es ciertamente ideal, en la vida real no existe nada que absorba a todas las frecuencias por igual.

Evidentemente este sistema tiene que estar cerrado para que el equilibrio térmico sea posible. Sin embargo, podemos pensar que hacemos un agujero minúsculo por el que la radiación escapa de muy poco en poco y eso nos permite ver qué frecuencias y con qué intensidad está la radiación dentro del cuerpo negro.

El experimento 

Uno puede diseñar sistemas que se comporten como cuerpos negros bajo determinadas condiciones se comporten como cuerpos negros. (Desde metales al rojo, hasta altos hornos, etc). Las medidas de qué frecuencias, o longitudes de onda, eran radiadas y sus intensidades dieron este resultado:

Aquí representamos la energía radiada en función de la longitud de onda de la radiación. Recordemos que el producto de la longitud de onda por la frecuencia de la radiación nos da la velocidad de la luz. A mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa.

Se observa que hay una emisión continua en todas las frecuencias (longitudes de onda) y que hay un máximo de intensidad de la radiación (el pico de la joroba de las curvas (que depende de la temperatura del cuerpo).

Catastrofe del UV

En el siglo XIX los físicos ya tenían a su disposición el electromagnetismo de Maxwell y la termodinámica. Esto es lo que hace falta para estudiar el equilibrio de un sistema con radiación electromagnética, como es el caso. Así que se pusieron a buscar fórmulas que dieran el comportamiento que vemos en el cuerpo negro, a saber:

1.- Emite en todas las frecuencias de forma continua.

2.- Tiene un pico de emisión (máximo de intensidad) que se desplaza a frecuencias más altas (longitudes de onda más bajas) conforme mayor es la temperatura del cuerpo.

3.- El sistema cuerpo-radiación está en equilibrio.

Esto es todo lo que necesitaban para aplicar sus teorías y encontrar la fórmula que nos diera la intensidad para cada frecuencia emitida, por ejemplo.

Entonces se pusieron mano a la obra un par de científicos, entre otros muchos, Lord Rayleigh y Sir James Jeans encontraron una fórmula que intentaba explicar el comportamiento del cuerpo negro.

Estos físicos encontraron lo que se conoce como Ley de Rayleigh-Jeans.

Grosso modo, esta ley nos dice que la forma de emitir el cuerpo negro es el producto de la frecuencia de la radiación al cuadrado por la temperatura del cuerpo (.

Pero este resultado es desastroso. El resultado indica que para frecuencias altas la emisión de energía se va a infinito. Lo cual va en contra de toda evidencia experimental y cotidiana. De ser esto cierto, cualquier cuerpo emitiría una energía infinita. Y ya sabemos que los infinitos no gustan mucho a los físicos.

A este comportamiento malévolo se le conoce como Catástrofe Ultravioleta (nombre puesto por Eherenfest). Veámoslo en una gráfica:

La línea punteada nos muestra que yendo a frecuencias más altas (longitudes de onda más bajas) la ley de Rayleigh-Jeans implican un comportamiento catastrófico.

Entonces llegó Wien y se empeñó en encontrar un resultado mejor que valiera para frecuencias altas (longitudes de onda bajas). Y lo consiguió, pero no del todo. El caso es que lo que Wien encontró es que al bajar en frecuencias (subir en longitudes de onda) otra vez se producía una catástrofe y se encontraba una emisión infinita de energía de nuevo. A esta se la llamó Catástrofe Infrarroja:

Catástrofe ultravioleta e infrarroja frente al comportamiento real de un cuerpo negro.

Esto era una clara evidencia que con la física conocida, lo que hoy llamamos física clásica, no había forma de entender este sistema a priori tan simple. Tendríamos que esperar a que alguien llegara y lo desbaratara todo.

Planck , el cuerpo negro y la catástrofe de UV

Lo que hizo Planck fue simple y llanamente interpolar entre las fórmulas de Rayleigh-Jeans y la de Wien. Literalmente forzó la máquina para encontrar la joroba de la curva del cuerpo negro. Simple, efectivo y maravilloso

Pero claro, toda acción tiene una consecuencia y cuando uno tiene una fórmula nueva tiene que intentar explicar por qué es así. Y el problema es que para lograr encontrar la joroba del cuerpo negro (ya me entendéis) Planck tuvo que hacer dos cosas:

1.- Meter una constante nueva que tenía que ser universal, la misma para todos los materiales y para todas las formas del cuerpo negro. La conocida como constante de Planck.

2.- Para interpretar esta fórmula que obtuvo tuvo que admitir que la radiación se comportaba como paquetes de energía cuando interaccionaba con la materia. Es decir, la materia sólo podía tragar (absorber) o vomitar (emitir) radiación en energías que eran el producto de su constante por la frecuencia de la radiación ().

Esto tiene dos consecuencias.

Primera consecuencia: Hasta ese día todo el mundo creía que la radiación vendría descrita por las leyes de Maxwell del electromagnetismo clásico y que sería emitida y absorbida de forma continua. Y eso era consistente con una visión puramente ondulatoria de la radiación. Con la nueva imagen, había que entender por qué algo que debería de ser ondulatorio al interaccionar con la materia se comportaba como partículas de una energía muy definida.

Segunda consecuencia: Aparece una constante universal nueva y eso implica que hay que entender su significado y la física que se esconde detrás de su rango de aplicabilidad. Hasta la fecha nadie había necesitado esa constante y eso se entiende porque dicha constante (con dimensiones de Energía x Tiempo) es muy muy pequeña (en las unidades normales del sistema internacional).

Fuente: http://cuentos-cuanticos.com/2012/05/04/cuerpo-negro/

Experimento de Michelson- Morley

Uno de los experimentos que contribuyó a la gran evolución que se dio a comienzos del siglo XX en la física: el experimento de Michelson y Morley, el que además ha sido uno de los más importantes experimentos que ha habido en la historia de la física.

Antecedentes

A finales del siglo XIX se conocía que la luz era una onda electromagnética, que se propagaba a velocidad c (unos 300.000 km/s).

Esto, sin embargo, tenía un matiz que traía de cabeza a todo el mundo: hasta ese momento todas las ondas conocidas necesitaban un medio por el que propagarse: las olas de un estanque necesitaban el agua, las ondas sísmicas necesitaban la tierra, y el sonido (que ya se conocía que era otra onda) necesitaba el aire para propagarse.

Ahora, si suponemos que entre las estrellas que vemos y nosotros (el espacio vamos) no hay nada, esto entra en contradicción directa con que veamos la luz que nos llega de dichas estrellas. Por lo que había que pensar en otra alternativa: en el espacio debería existir algo, un medio, que permite que se propage la luz: al cual se denominó éter, del cual no sabíamos en un principio absolutamente nada, ni de qué estaba “formado”.

Ahora, si existiese de verdad dicho éter, deberíamos ser capaces de observarle de alguna forma, y esto fue lo que propusieron Michelson y Morley, un experimento para medir dicho éter.

Base del experimento

No se sabía si este éter estaría en reposo o la velocidad que tendría, pero dado que la Tierra gira en torno al Sol (en un año da una vuelta), la velocidad del éter respecto al de la Tierra cambiará a lo largo del año, y esto produciría ligeros cambios en la imagen que nos da la luz.

Para ello, se utilizó un interferómetro de Michelson, el cual divide la luz que emite un foco luminoso (un láser por ejemplo) en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a juntar. Dado que la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente que solo emite una longitud de onda (es decir, un color muy definido), al volver a juntarse, los dos haces interferirán produciendo máximos y mínimos de intensidad.

Que se forme uno u otro depende de la diferencia de caminos que hayan recorrido los dos haces, lo que normalmente se hace variando ligeramente la posición de uno de los espejos (las variaciones de la posición deberán de ser similares a la longitud de onda de la luz, lo cual lleva a que serán de unos cientos de nanómetros: una diez milésima de milímetro). 

Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos.

Así que variando la orientación de los brazos se debería observar un cambio en el patrón obtenido.

Resultados

Finalmente, y usando un instrumento que tenía unos brazos de 11 metros de largo (imaginaos las dimensiones del aparatito) y colocado sobre una “piscina” de mercurio para minimizar los movimientos del aparato, ambos físicos realizaron medidas de lo que ocurría.

Los resultados obtenidos en todas ellas fueron nulos: en ningún momento hubo ningún dato que apuntase a que la velocidad de la luz hubiera variado, o lo que es lo mismo, que el éter no tenía ninguna velocidad apreciable.

Sin embargo, esto mismo fue lo que condujo a que fuera uno de los más importantes experimentos, ya que con estos resultados se comenzó a pensar que dicho éter podría no existir, y se planteó que la luz podría viajar en el vacío, sin ningún medio de por medio, lo cual derivó finalmente en la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, donde ya se impuso la no existencia de dicho éter.

Fuente: https://universocuantico.wordpress.com/2009/06/14/experimento-de-michelson-morley/

Dilatación del Tiempo

La dilatación del tiempo es el fenómeno predicho por la teoría de la relatividad, por el cual un observador observa que el reloj de otro (un reloj físicamente idéntico al suyo) está marcando el tiempo a un ritmo distinto que el que mide su reloj. Esto se suele interpretar normalmente como que el tiempo se ha ralentizado para el otro reloj, pero eso es cierto solamente en el contexto del sistema de referencia del observador. Localmente, el tiempo siempre está pasando al mismo ritmo. El fenómeno de la dilatación del tiempo se aplica para cualquier proceso que manifieste cambios a través del tiempo. 

En las teorías de le relatividad de Albert Einstein la dilatación temporal del tiempo se manifiesta en dos circunstancias: 

En la teoría de la Relatividad Especial, relojes que se mueven con respecto a un sistema de referencia inercial (el hipotético observador inmóvil) deberían funcionar más despacio. Este efecto está descrito por las transformaciones de Lorentz en la relatividad especial para observadores que siempre se acercan. 

En la teoría de la Relatividad General, relojes que tengan potenciales gravitatorios menores, como aquellos que se encuentran cerca de un planeta, marcan el tiempo más lentamente. 

En contraste, la dilatación gravitacional del tiempo (como es considerada 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. De esta manera la dilatación gravitacional del tiempo es común para todos los observadores estacionarios, independientemente de su altitud. 

El Experimento de los Muones

Los muones son unas partículas 207 veces más pesadas que el electrón y cuya vida media es de 2 microsegundos (la vida media es el tiempo que tarda en desintegrase la mitad de la población de partículas que se tenía inicialmente). Estas partículas se generan por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera y viajan a velocidades cercanas a a la velocidad de la luz. Un muón típico se mueve com velocidad 0,9978c.

En 1963 David Frisch y James Smith realizaron un experimento en el que midieron el número de muones que llegaban a la superficie terrestre. Realizaron dos mediciones a distinta altura, una en lo alto del monte Washington y otra al nivel del mar. En la cima de lamontaña registraron 568 muones por hora. A nivel del mar, y de acuerdo con la ley de decaimiento de su vida media, debería registrarse  tan solo 27 muones por hora, sin  embargo
los científicos, al realizar la experiencia, detectaron 412 muones por hora. Parecía como si a los muones les hubiese dado tiempo a llegar a la superficie terrestre antes de desintegrarse. La explicación nos la da la Relatividad Especial:

- Explicación desde el punto de vista de un observador situado en la Tierra. Dilatación del tiempo. Un muón típico que se mueva a velocidad 0.9978c recorrerá sólo 600m aproximadamente en 2 microsegundos. Sin embargo, la vida media del muón medida en el sistema de referencia terrestre debe incrementarse hasta 30 microsegundos debido al fenómeno de la dilatación del tiempo, y un muón con velocidad 0.9978c recorre del orden de 9000m en este tiempo. 

- Explicación desde el punto de vista del sistema de referencia de los muones. Contracción de la longitud. Desde el punto de vista del muón, éste vive sólo dos microsegundos pero puede afirmar estar en reposo y ser la atmósfera la que circula junto a él a la velocidad de 0,9978c. Debido a la contracción del espacio, la atmósfera de 9000m en el sistema terrestre se encuentra así contraída a sólo 600m en el sistema del muón. Siendo así posible que los muones lleguen al nivel del mar.

En este experimento se explica tanto la dilatación del tiempo como la contracción de longitudes.

Fuente: http://relativismo.weebly.com/experimento-de-los-muones.html

Transformaciones de Lorentz

El principio de relatividad de Galileo dice que cualquier experimento mecánico efectuado en un sistema en reposo se desarrollará exactamente igual que en un sistema en movimiento respecto al primero con una velocidad "u" constante o movimiento rectilíneo uniforme (MRU).

Nótese que movimiento relativo y movimiento es lo mismo pues por el principio de relatividad de Galileo todo movimiento necesita un sistema de referencia. De ahí que en este tema concreto sean equivalentes las expresiones movimiento relativo uniforme ymovimiento rectilíneo uniforme, además ¡MRU vale para las dos!

Lógicamente, al establecer Galileo que la Tierra se movía alrededor del Sol, este principio supone restablecer la validez de la ciencia y los experimentos en la Tierra como si ésta se encontrase en reposo. ¡Cómo antes!

Del principio de relatividad de Galileo se deducen unas ecuaciones de transformación del movimiento relativo de un sistema de referencia a otro (S y S') que lo único que hacen es efectuar el cambio de origen de coordenadas en función del desplazamiento relativo entre sistemas.

Si ajustamos dicho desplazamiento en el eje x, las ecuaciones o transformaciones de Galileo serían las siguientes.

Las ecuaciones o transformaciones de Lorentz consisten, al igual que las de Galileo,en el establecimiento de un mecanismo de transformación de valores entre sistemas de referencia (S y S') con movimiento relativo con velocidad u entre ellos, pero con una velocidad máxima c igual para dichos sistemas de referencia. Es decir, la velocidad máxima no sería aditiva con el cambio de referencia del origen.

x' = x - u t

y' = y

z' = z

t' = t

No voy a entrar ahora en el juego matemático de las ecuaciones de Lorentz para mantener la exposición sencilla, pero conviene decir que se trata de una transformación asintótica de las variables del espacio y el tiempo que permiten mantener la condición de velocidad máxima y la transformación inversa de forma biunívoca. El único problema derivado de las transformaciones de Lorentz para el movimiento relativo es que crean un punto de indeterminación cuando u = c de naturaleza puramente matemática, que recibirá el nombre de singularidad en la física relativista de Einstein.

Detalles sobre la deducción de las ecuaciones de Lorentz del teorema de Pitágoras se encuentran en las páginas de este libro sobre el Espacio tiempo y del propio Teorema de Pitágoras.

Para simplificar las ecuaciones o transformaciones de Lorentz se definen las siguientes constantes auxiliares:

ß = u / c 

γ = (1 - ß ²)-½

Quedando las transformaciones de Lorentz.

Como vemos, t' es diferente de t, es decir el tiempo convencional o medido desde un sistema de referencia no coincide con la medición desde el otro sistema de referencia una vez realizadas las transformaciones de Lorentz correspondientes.

x' = γ (x - u t)

y' = y

z' = z

t' = γ (t - x ß/c)

Lorentz demostró que las fórmulas del electromagnetismo son las mismas en todos los sistemas de referencia en movimiento relativo solamente cuando se utilizan estas ecuaciones de transformación propuestas en 1892.

Es evidente que estas transformaciones se reducen a las de Galileo cuando la velocidad relativa u o movimiento relativo del sistema S' respecto de S es pequeña en relación con la velocidad máxima c.

Como era de esperar, existen también ecuaciones de transformación de las velocidades o fórmula relativista de adición de velocidades, que expongo a los exclusivos efectos de remarcar su complejidad:

v'x = (vx - u ) / (1 - vx u /c²)

v'y = vy / γ (1 - vx u /c²)

v'z = vz /γ (1 - vx u /c²)

Recordemos que el movimiento relativo se ha ajustado para que se produzca únicamente en el eje x, y que tanto ß como γ son las constantes auxiliares mencionadas anteriormente.

Análisis crítico de las transformaciones de Lorentz.

Conviene recordar que hasta que Einstein descubrió la supuesta verdadera significación de las ecuaciones de Lorentz, éstas eran consideradas un mero juego matemático. Después, lo que pasó a considerarse una curiosidad matemática fueron las propias teorías de Einstein durante una temporada, hasta que un eclipse inauguró lo que se conoce como the tinieblas time.

Las citadas ecuaciones de Lorentz no prueban nada en sí mismas; puesto que son meras fórmulas matemáticas que reproducen, eso sí, con gran fidelidad el error de interpretación del movimiento relativo de la luz que se comete con el experimento deMichelson-Morley.

En mi opinión, dicho error es similar al que se produce con el electromagnetismo, se dice que estas ecuaciones consiguen que se expresen igual para cualquier observador porque consiguen explicar matemáticamente algo que en realidad no ocurre; a mi juicio, se trata de una hipótesis conceptual incorrecta que se considera confirmada erróneamente.

Igualmente señalar que lo que hacen es, además de medir la supuesta diferencia temporal entre dos observadores, es cambiar las unidades de la variable t de una forma artificial.

Por supuesto, al cambiar el tiempo, cambia la velocidad, la cantidad de movimiento, la velocidad angular, la energía, etc. Se están cambiando continuamente las unidades del Sistema Internacional de Medidas de las diferentes magnitudes.

Un mismo objeto o partícula puede tener diferentes tiempos propios si se le compara con un rayo de luz que se mueva en su misma dirección en función del sentido que pueda tener dicho rayo.

El tiempo, en ocasiones, se calcula en función de velocidades que no son reales ni físicas sino mentales, como la velocidad de separación de dos objetos.

Una crítica con grandes repercusiones es que al efectuar una transformación asintótica de las variables provoca una gran pérdida de la visión intuitiva de la realidad física y estimula demasiado la fantasía especulativa al adentrarse en soluciones imaginarias. 

Otro precio a pagar por las transformaciones de Lorentz es la imposibilidad de efectuar correspondencias cuando el observador alcanza la velocidad de la luz, pues la transformación asintótica en ese punto no admite inversos por la implícita indeterminación o singularidad relativista. 

Fuente: http://www.molwick.com/es/relatividad/105-ecuaciones-lorentz.html

El Principio de Equivalencia

Albert Einstein no estaba completamente satisfecho de la relatividad restringida, ya que no trataba de la aceleración y no podía acomodarse con la ley de la gravitación universal tal como Isaac Newton la había puesto. Se pone entonces a trabajar y consigue, después de 10 años de esfuerzos, una teoría más completa y una nueva interpretación de la gravedad: la teoría de la relatividad general.

El punto de partida de la teoría está ilustrado por la experiencia siguiente. Imagine dos personas que se encuentran encerradas en dos cabinas idénticas. Una se encuentra en la superficie de la Tierra, la otra está enganchada a un cohete en aceleración en el espacio. Estos dos observadores se entregan entonces a una pequeña experiencia: sueltan una manzana.

El primero ve simplemente su manzana caer, por lo tanto acelerar, bajo el efecto de la gravedad. La segunda cabina no está sometida a la gravedad, sino es acelerada hacia arriba por el cohete. La manzana, que acaba de soltarse, no sigue el movimiento de la cabina. En relación a esta última, parece entonces acelerar hacia abajo y caer. Si la potencia del cohete se elige bien, la manzana va a caer exactamente como lo haría sobre Tierra. Los dos observadores están entonces en la incapacidad decir en cual cabina se encuentran.

Las dos experiencias anteriores se desarrollan de manera completamente idéntica. Las leyes de la mecánica son, así pues, las mismas en un sistema sujeto a la gravedad y en un sistema acelerado. Einstein generalizó esta idea a todas las leyes de la física y le dio el nombre de principio de equivalencia. Esto fue el punto de partida de su nueva teoría que iba a revolucionar la física y muy especialmente la astrofísica.

El efecto de la materia sobre el tiempo

Dos consecuencias de la relatividad general se derivan inmediatamente del principio de equivalencia. En primer lugar, el hecho de que la materia ralentice el tiempo. Imagine la experiencia siguiente. Se encuentra en la parte superior de un cohete en plena aceleración. En la parte baja del cohete se encuentra un reloj que emite una señal luminosa todos los segundos. Observe este reloj e intente medir el intervalo que separa dos señales.

Entre la emisión de la luz y su llegada a su ojo, la velocidad del cohete aumenta, ya que éste acelera. La parte superior, pues, tiende a huir delante de los rayos luminosos y a retrasar el momento del contacto. En consecuencia, los rayos de luz no llegan a su ojo cada segundo, sino a un ritmo ligeramente más bajo. Usted observa que el tiempo indicado por este reloj pasa más lentamente que el del reloj en su muñeca.

Pero, según el principio de equivalencia, el mismo fenómeno se produce si se considera un edificio en la superficie de la Tierra en lugar de un cohete en aceleración. En consecuencia, el tiempo debe fluir más lentamente en la base de un edificio que en la parte superior. Los habitantes del piso bajo envejecen un poco menos rápido que los del último piso. Un efecto asombroso pero verificado por la experiencia. No vaya, sin embargo, a trasladarse seguidamente, la gravedad de la Tierra es muy baja, lo que vuelve este efecto completamente insignificante. La diferencia solo será de una fracción minúscula de segundo en toda una vida.

Observemos aún que, contrariamente a la dilatación del tiempo en relatividad restringida, la disminución del tiempo por la gravedad no es recíproca. En efecto, si está al pie del cohete y observa un reloj en la parte superior, la aceleración le precipita hacia los rayos luminosos. La duración de su trayecto es cada vez más corta y el tiempo parece pasar más rápido en la parte superior. Al volver de nuevo al caso del edificio en la superficie de la Tierra, todavía es siempre en la base que el tiempo pasa más lentamente.

El efecto de la materia sobre la luz

La segunda consecuencia inmediata de la relatividad general es la influencia de la gravedad sobre la luz. Imagínese de nuevo en el cohete en aceleración. Esta vez, usted enciende una lámpara y la apunta perpendicularmente a la dirección del movimiento. Los fotones que dejan la lámpara no están ya vinculados ni a la lámpara ni al cohete. La aceleración induce, pues, un ligero desfase entre la altura de la lámpara y el punto donde los rayos de luz alcanzan la pared del cohete. La luz no se desplaza más en línea recta, sino es ligeramente desviada hacia abajo en el cohete.

Entonces, según el principio de equivalencia, la situación es la misma en un campo de gravedad: en presencia de una masa, un rayo de luz es desviado. Esto significa que si usted enciende una lámpara sobre Tierra, la luz no se propagará exactamente en línea recta, sino seguirá una trayectoria ligeramente curva a causa de la gravedad de nuestro planeta. El efecto evidentemente será muy débil y pasará desapercibido, pero para campos gravitacionales más fuertes, será completamente apreciable.

Fuente: http://antonioheras.com/fin_estrellas_masivas/el-principio-de-equivalencia.htm

Año Milagroso de Albert Einstein

Hay nombres que forman parte de la Historia, fechas que marcan grandes hitos de nuestro relato colectivo. Hace 110 años, entre marzo y septiembre de 1905, el buzón de la revista científica alemana Annales der Physik recibió cuatro estudios que cambiarían para siempre las leyes de la física y, en definitiva, nuestra concepción de la realidad: de la luz, de la materia, del tiempo y del espacio.

El autor era un joven de 26 años, Albert Einstein, que trabajaba en la oficina de patentes de Berna (Suiza). Su carrera como físico estaba estancada tras el rechazo de su tesis doctoral; y su pasión científica había quedado relegada a sus ratos libres, a las largas horas muertas en la oficina y a las charlas con su colega y amigo Michele Besso. Recordamos aquí los 4 grandes logros de Einstein, en su año milagroso:

Efecto fotoeléctrico

El 9 de junio de 1905 Annales der Physik publicó las disertaciones de aquel oficinista acerca del efecto fotoeléctrico y la física de la luz. “Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de luz” introdujo la revolucionaria idea de que la luz está compuesta tanto de energía como de partículas cuantificables: quantos para Einstein, fotones para la historia. Esta concepción de que los sistemas físicos pueden comportarse a la vez como ondas (energía) y como partículas (materia) sería la semilla de uno de los dos pilares de la física moderna: la mecánica cuántica. Dieciséis años después está teoría del efecto fotoeléctrico llevaría a Einstein a la cima de la ciencia cuando en 1921 recibió el Nobel de Física.

Movimiento browniano

El segundo y el menos importante de aquellos estudios , publicado el 18 de julio, fue “Sobre el movimiento requerido por la teoría cinética molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario”. Aunque no revolucionó los principios de la física ni le valió un Nobel, Einstein encontró en un fenómeno físico (el movimiento browniano) la evidencia empírica de lo que pensaban muchos científicos de la época (pero ni de lejos a todos): que la materia está compuesta de átomos. Al intentar explicar ese curioso fenómeno, Einstein no solo confirmó matemáticamente la existencia de los átomos y las moléculas sino que, por su manera de hacerlo, inauguró un nuevo campo en el estudio de la Física, la física estadística.

Relatividad especial

El tercer estudio de aquel año fue quizás el más rompedor. “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” llegó a Annales der Physik el 30 de junio y se publicó el 26 de septiembre de 1905. Supuso la condensación de la nueva física de Einstein en la conocida teoría de la relatividad especial, que precedería a la relatividad general (que en 1915 incluyó también la influencia de la aceleración y la gravedad). Einstein postuló en este estudio que la velocidad de la luz es inmutable, constante e independiente del movimiento del observador. Por tanto, a excepción de la constante velocidad de la luz, todo es relativo, incluyendo el tiempo, la distancia o la masa.

Equivalencia entre masa y energía

El 21 de noviembre se publicó el último de los cuatro estudios. Y es que “¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene?” es, en efecto, un epílogo de todos los demás estudios. La demostración matemática de la relatividad específica y, por tanto, la constatación de la equivalencia entre la materia y la energía, quedaron condensadas en la fórmula más famosa de la historia: E= mc2.

Por suerte o por desgracia, de E = mc2 se dedujo la existencia de una energía restante, en procesos como la fisión nuclear de los átomos. Aterrorizado por sus aplicaciones bélicas y por el uso que de ellas pretendían hacer los nazis, Einstein escribió en 1939 una carta a Roosevelt, el presidente de los Estados Unidos, para que se les adelantara. Y aquella carta acabó derivando en las bombas que cayeron sobre Hiroshima y Nagasaki, cuarenta años después del annus mirabilis de Einstein.

“Newton, por favor perdóname”, dijo un una ocasión Einstein, sabedor de que sus avances cuestionaban las bases que el científico inglés había sentado en el siglo XVII. De hecho, Newton tubo también su año milagroso, pues entre 1665 y 1666, mientras se refugiaba de la peste encerrado en su casa, formuló su ley de la gravitación y su teoría del color. Pero la ciencia es así, para que se realice un avance, para que se confirme una idea, se han de descartar otras.

Quizás llegue una nueva revolución científica que descarte algunas ideas de Einstein, pero perdurará para siempre su método. El gran mérito de Einstein fue no intentar explicar los resultados, los experimentos en sí, sino elaborar una teoría en la que el experimento es el resultado y no el origen de un fenómeno.

Fuente: https://www.bbvaopenmind.com/el-ano-milagroso-de-einstein/