Desvelando el Universo Del microcosmos al macrocosmos.

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Desvelando el Universo Del microcosmos al

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Desvelando el Universo

Del microcosmos

almacrocosmos

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Antonio López MarotoDepartamento de Física Teórica I

Tema 4: Gravitación y Cosmología

(30 de mayo de 2013)

Desvelando el Universo (del microcosmos al macrocosmos)

UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES

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Tema 0: IntroducciónTema 1: La visión del mundo previa al siglo XXTema 2: Relatividad EspecialTema 3: Física CuánticaTema 4: Gravitación y CosmologíaTema 5: Física atómica y nuclearTema 6: Física de partículasActividad Complementaria: “El mundo de las partículas y los aceleradores”Tema 7: Historia de la Astronomía y Astronomía básicaTema 8: Los instrumentos del astrónomoTema 9: El trabajo del astrónomo profesionalTema 10: El Sistema SolarActividad Complementaria: “Visita al Observatorio UCMTema 11: Las estrellasTema 12: El medio interestelar y la Vía LácteaTema 13: Las galaxiasTema 14: Cosmología observacional

PROGRAMACurso 2013

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FÍSICA CLÁSICA

Las limitaciones de la Física Clásica

Velocidades pequeñas v << c

Tamaños grandes

Campos gravitatorios débiles

Relatividad Especial

Física Cuántica

Relatividad General

 

 

 

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La caída de los cuerpos

Todos los cuerpos caen con la mismaaceleración independientemente de su

masa y composición

2r

GMmF

 

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La gravitación como geometría del espacio-tiempo

Teoría de Relatividad General (1915)

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G  mn = 8pG Tmn

Geometría Materia-Energía

RELATIVIDAD GENERAL (1915)

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La gravitación como geometría del espacio-tiempo

Los cuerpos seguirían las trayectoriasque minimizan la distancia (geodésicas)

Ejemplo:Madrid-Tokyo

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La gravitación como geometría del espacio-tiempo

Eclipse de sol (1919): se observó la deflexión de la luz por el sol de acuerdo con la RG

A. Eddington

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La gravitación como geometría del espacio-tiempo

Avance del perihelio de Mercurio: 43’’ de arco: de acuerdo con RG

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Velocidad de escape y agujeros negros

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Velocidad de escape y agujeros negros

Si R < RS entonces Vescape > c

La luz no podría escapar del campo gravitatorioAgujero negro

K. Schwarzschild

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Agujeros negros

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El agujero negro del centro de la galaxia

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Radiación de Hawking

Los agujeros negros se evaporan por efectos cuánticos.

Tiempo de evaporación: 1063 años (MS)

S. Hawking

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Ondas gravitatorias

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El universo hasta 1.5 Mpc: el Grupo Local

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El universo hasta 30 Mpc: el supercúmulo de Virgo

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Supercúmulos, filamentos y vacíos hasta 150 Mpc

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El universo hasta 4300 Mpc: el alcance de las supernovas

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EL UNIVERSO SE EXPANDE... Cefeidas variables (1915-1929)

Vesto Slipher

Edwin Hubble

H0-1 = 1.4 · 1010 años

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...ACELERADAMENTE (1998) Supernovas tipo Ia

AceleradoDecelerado-aceleradoDecelerado

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¿CUÁNTOS ÁTOMOS HAY EN EL UNIVERSO?

D, 3He, 4He, 7Li Edad del Universo = 1

min Temperatura = 1010 K

nB / n  g = 10-10 h10

Densidad de bariones

1/4 nucleón/m3rB= 4·10-31 g·cm-3

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LA RADIACIÓN DEL FONDO CÓSMICO DE MICROONDAS ES...

T= 2.725 K

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...ANISÓTROPA 1/105

A. Penzias, R. Wilson

Premio Nobel de Física

1978

J. Mather, G. Smoot

Premio Nobel de Física

2006

??

Premio Nobel de Física

20??

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El Universo a gran escala:el modelo

teórico

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G  mn = 8pG Tmn

Geometría Materia-Energía

RELATIVIDAD GENERAL (1915)

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Densidad crítica

     r > r0                 r < r0                r = r0 

 Curvatura  espacial: Positiva                Negativa                

Plano 

LA GEOMETRÍA DEL UNIVERSO

rB << r0  (rB =0.044 r0) 

r0 = 10-29 g·cm-3

rB= 4·10-31 g·cm-3

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r >> rB

   

LA GEOMETRÍA DEL UNIVERSO

Plano

Curvaturanegativa

Tamaño delhorizonte

 » r r0

WMAP 2003

La mayor parte del

Universo no es materia

ordinaria

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LA DINÁMICA DEL UNIVERSO

Ritmo de expansión µ r1/2

… pero para la materia y la radiación r > 0p > 0

Aceleración µ - (r + 3p)

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LA DINÁMICA DEL UNIVERSO

Aceleración µ - (r + 3p)

> 0

p < 0

Energía oscura

La mayor parte del

Universo no es materia

ordinaria

… es energía oscura

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LA COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO

Elementos pesados

0.03 %Neutrinos

<1.5 %

Estrellas 0.6 %

H y He gaseoso4 %

Energía oscura 73 %

Materia oscura 23 %

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LA EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO

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Problemas abiertos de la Física Fundamental Problemas abiertos de la Física Fundamental a) Durante el siglo XX la Física Fundamental sufrió una profunda

revolución debida a la aparición de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica

b) Dicha revolución ha permitido unos avances extraordinarios en nuestra comprensión de la estructura de la materia y de la evolución del Universo en su conjunto.

c) Sin embargo no disponemos de una teoría Cuántica de la Gravitación. Desconocemos la naturaleza de la materia y la energía oscuras.

d) Quedan por tanto muchos problemas por resolver en el ámbito de la Mecánica Cuántica y la Cosmología, así como nuevos ámbitos de aplicación como la Nanotecnología, etc

a) Durante el siglo XX la Física Fundamental sufrió una profunda revolución debida a la aparición de la Teoría de la Relatividad

y la Mecánica Cuántica

b) Dicha revolución ha permitido unos avances extraordinarios en nuestra comprensión de la estructura de la materia y de la evolución del Universo en su conjunto.

c) Sin embargo no disponemos de una teoría Cuántica de la Gravitación. Desconocemos la naturaleza de la materia y la energía oscuras.

d) Quedan por tanto muchos problemas por resolver en el ámbito de la Mecánica Cuántica y la Cosmología, así como nuevos ámbitos de aplicación como la Nanotecnología, etc