jueves, 21 de marzo de 2019

PERSONAJES - CIENTÍFICOS

ALBERT EINSTEIN - CONTINUACIÓN

Carrera cientifica

A lo largo de su vida, Einstein publicó cientos de libros y artículos. [15] [5] Publicó más de 300 artículos científicos y 150 no científicos. [11] [15] El 5 de diciembre de 2014, las universidades y los archivos anunciaron el lanzamiento de los documentos de Einstein, que comprenden más de 30,000 documentos únicos. [152] [153] Los logros intelectuales y la originalidad de Einstein han hecho que la palabra "Einstein" sea sinónimo de " genio ". [16]Además del trabajo que hizo solo, también colaboró ​​con otros científicos en proyectos adicionales, como las estadísticas de Bose-Einstein , el refrigerador Einstein y otros. [154]

1905 - papeles de Annus Mirabilis

Los artículos de Annus Mirabilis son cuatro artículos relacionados con el efecto fotoeléctrico (que dio origen a la teoría cuántica ), el movimiento browniano , la teoría de la relatividad especial y E = mc 2 que Einstein publicó en la revista científica Annalen der Physik en 1905. Las obras contribuyeron sustancialmente a la fundación de la física moderna y cambiaron las opiniones sobre el espacio , el tiempo y la materia . Los cuatro papeles son:
Título (traducido)Área de enfoqueRecibidoPublicadoSignificado
Desde un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luzEfecto fotoeléctrico18 de marzo9 de junioSe resolvió un rompecabezas sin resolver al sugerir que la energía se intercambia solo en cantidades discretas ( cuantos ).[155] Esta idea fue fundamental para el desarrollo temprano de la teoría cuántica.[156]
En el movimiento de partículas pequeñas suspendidas en un líquido estacionario, según lo requerido por la teoría cinética molecular del calormovimiento browniano11 de mayo18 de julioExplicó la evidencia empírica de la teoría atómica , apoyando la aplicación de la física estadística .
Sobre la electrodinámica de los cuerpos móviles.Relatividad especial30 de junio26 de septiembreReconcilió las ecuaciones de Maxwell para la electricidad y el magnetismo con las leyes de la mecánica mediante la introducción de cambios en la mecánica, como resultado del análisis basado en evidencia empírica de que la velocidad de la luz es independiente del movimiento del observador. [157] Desacreditó el concepto de un " éter luminífero ". [158]
¿La inercia de un cuerpo depende de su contenido energético?Equivalencia materia-energía.27 de septiembre21 de noviembreEquivalencia de materia y energía,E = mc 2 (y por implicación, la capacidad de la gravedad para "doblar" la luz), la existencia de " energía de reposo " y la base de la energía nuclear.

Mecánica estadística

Fluctuaciones termodinámicas y física estadística.

El primer artículo de Einstein [159] presentado en 1900 a Annalen der Physik fue sobre la atracción capilar . Fue publicado en 1901 con el título "Folgerungen aus den Capillaritätserscheinungen", que se traduce como "Conclusiones de los fenómenos de la capilaridad". Dos artículos que publicó en 1902-1903 (termodinámica) intentaron interpretar los fenómenos atómicos desde un punto de vista estadístico. Estos documentos fueron la base del documento de 1905 sobre el movimiento browniano, que mostró que el movimiento browniano puede interpretarse como una evidencia firme de que las moléculas existen. Su investigación en 1903 y 1904 se centró principalmente en el efecto del tamaño atómico finito sobre los fenómenos de difusión. [159]

Teoría de la opalescencia crítica.

Einstein volvió al problema de las fluctuaciones termodinámicas, dando un tratamiento de las variaciones de densidad en un fluido en su punto crítico. Normalmente, las fluctuaciones de densidad están controladas por la segunda derivada de la energía libre con respecto a la densidad. En el punto crítico, esta derivada es cero, lo que lleva a grandes fluctuaciones. El efecto de las fluctuaciones de densidad es que la luz de todas las longitudes de onda se dispersa, haciendo que el fluido tenga un aspecto blanco lechoso. Einstein lo relaciona con la dispersión de Rayleigh , que es lo que sucede cuando el tamaño de la fluctuación es mucho menor que la longitud de onda, y explica por qué el cielo es azul. [160] Einstein derivó cuantitativamente la opalescencia crítica de un tratamiento de fluctuaciones de densidad, y demostró cómo tanto el efecto como la dispersión de Rayleigh se originan a partir de la constitución atomística de la materia.

Relatividad especial

El " Zur Elektrodynamik bewegter Körper " [161] de Einstein ("Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento") se recibió el 30 de junio de 1905 y se publicó el 26 de septiembre de ese mismo año. Conciliaba los conflictos entre las ecuaciones de Maxwell (las leyes de la electricidad y el magnetismo) y las leyes de la mecánica newtoniana mediante la introducción de cambios en las leyes de la mecánica. [162]Observacionalmente, los efectos de estos cambios son más evidentes a altas velocidades (donde los objetos se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz ). La teoría desarrollada en este artículo se conoció más tarde como la teoría de la relatividad especial de Einstein.
Este documento predijo que, cuando se mide en el marco de un observador relativamente en movimiento, un reloj llevado por un cuerpo en movimiento parece disminuir la velocidad , y el propio cuerpo se contraería en su dirección de movimiento. Este artículo también argumentó que la idea de un éter luminífero, una de las principales entidades teóricas de la física en ese momento, era superflua. [nota 3]
En su artículo sobre la equivalencia masa-energía , Einstein produjo E  =  mc 2 como consecuencia de sus ecuaciones de relatividad especial. [163] El trabajo de 1905 de Einstein sobre la relatividad se mantuvo controvertido durante muchos años, pero fue aceptado por los principales físicos, comenzando por Max Planck . [164] [165]
Einstein originalmente enmarcó la relatividad especial en términos de cinemática (el estudio de los cuerpos en movimiento). En 1908, Hermann Minkowski reinterpretó la relatividad especial en términos geométricos como una teoría del espacio-tiempo . Einstein adoptó el formalismo de Minkowski en su teoría general de la relatividad de1915 [166]

Relatividad general

La relatividad general y el principio de equivalencia.

Círculo negro que cubre el sol, rayos visibles a su alrededor, en un cielo oscuro.
Fotografía de Eddingtonde un eclipse solar.
La relatividad general (RG) es una teoría de la gravitación desarrollada por Einstein entre 1907 y 1915. Según la relatividad general , la atracción gravitacional observada entre las masas se debe a la deformación del espacio y el tiempo por parte de esas masas. La relatividad general se ha convertido en una herramienta esencial en la astrofísica moderna Proporciona la base para la comprensión actual de los agujeros negros , regiones del espacio donde la atracción gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.
Como dijo Einstein más adelante, la razón para el desarrollo de la relatividad general fue que la preferencia de los movimientos inerciales dentro de la relatividad especial no era satisfactoria, mientras que una teoría que desde el principio no prefiere ningún estado de movimiento (incluso los acelerados) debería parecer más satisfactoria. [167] En consecuencia, en 1907 publicó un artículo sobre la aceleración bajo la relatividad especial. En ese artículo titulado "Sobre el principio de la relatividad y las conclusiones que se derivan de él", argumentó que la caída libre es realmente un movimiento inercial, y que para un observador de caída libre deben aplicarse las reglas de la relatividad especial. Este argumento se llama el principio de equivalencia . En el mismo artículo, Einstein también predijo los fenómenos deDilatación del tiempo gravitacional , desplazamiento del rojo gravitacional y desviación de la luz . [168] [169]
En 1911, Einstein publicó otro artículo "Sobre la influencia de la gravitación en la propagación de la luz", que se expande en el artículo de 1907, en el que calculaba la cantidad de desviación de la luz por parte de cuerpos masivos. Por lo tanto, la predicción teórica de la relatividad general podría, por primera vez, ser probada experimentalmente. [170]

Ondas gravitacionales

En 1916, Einstein predijo ondas gravitacionales , [171] [172] ondulaciones en la curvatura del espacio-tiempo que se propagan como ondas , viajando hacia afuera de la fuente, transportando energía como radiación gravitacional. La existencia de ondas gravitacionales es posible bajo la relatividad general debido a su invariancia de Lorentz que trae consigo el concepto de una velocidad finita de propagación de las interacciones físicas de la gravedad. Por el contrario, las ondas gravitacionales no pueden existir en la teoría newtoniana de la gravitación , que postula que las interacciones físicas de la gravedad se propagan a una velocidad infinita.
La primera detección indirecta de ondas gravitacionales se produjo en la década de 1970 a través de la observación de un par de estrellas de neutrones en órbita cercana PSR B1913 + 16 . [173] La explicación de la decadencia en su período orbital fue que estaban emitiendo ondas gravitacionales. [173] [174] La predicción de Einstein se confirmó el 11 de febrero de 2016, cuando los investigadores de LIGO publicaron la primera observación de ondas gravitacionales , [175] detectada en la Tierra el 14 de septiembre de 2015, exactamente cien años después de la predicción. [173] [176] [177] [178] [179]

Argumento del hoyo y teoría del entwurf.

Mientras desarrollaba la relatividad general, Einstein se confundió acerca de la invariancia de los indicadores en la teoría. Formuló un argumento que lo llevó a concluir que una teoría de campo relativista general es imposible. Dejó de buscar ecuaciones de tensor totalmente covariantes en general, y buscó ecuaciones que serían invariantes solo bajo transformaciones lineales generales.
En junio de 1913, la teoría de Entwurf ('borrador') fue el resultado de estas investigaciones. Como su nombre lo indica, era un esbozo de una teoría, menos elegante y más difícil que la relatividad general, con las ecuaciones de movimiento complementadas por condiciones adicionales de fijación de la galga. Después de más de dos años de trabajo intensivo, Einstein se dio cuenta de que el argumento del agujero estaba equivocado [180] y abandonó la teoría en noviembre de 1915.

Cosmologia fisica

En 1917, Einstein aplicó la teoría general de la relatividad a la estructura del universo en su conjunto. [181] Descubrió que las ecuaciones generales de campo predecían un universo que era dinámico, ya sea que se contraía o expandía. Como la evidencia observacional de un universo dinámico no se conocía en ese momento, Einstein introdujo un nuevo término, la constante cosmológica , en las ecuaciones de campo, para permitir que la teoría prediga un universo estático. Las ecuaciones de campo modificadas predijeron un universo estático de curvatura cerrada, de acuerdo con la comprensión de Einstein del principio de Machen estos años. Este modelo se conoció como el universo estático de Einstein o Einstein . [182] [183]
Tras el descubrimiento de la recesión de las nebulosas por Edwin Hubble en 1929, Einstein abandonó su modelo estático del universo y propuso dos modelos dinámicos del cosmos, el universo de Friedmann-Einstein de 1931 [184] [185] y el de Einstein. Universo de Sitter de 1932. [186] [187] En cada uno de estos modelos, Einstein descartó la constante cosmológica, afirmando que era "en cualquier caso teóricamente insatisfactorio". [184] [185] [188]
En muchas biografías de Einstein, se afirma que Einstein se refirió a la constante cosmológica en años posteriores como su "mayor error". El astrofísico Mario Livio ha puesto recientemente en duda esta afirmación, sugiriendo que puede ser exagerada. [189]
A fines de 2013, un equipo dirigido por el físico irlandés Cormac O'Raifeartaigh descubrió evidencia de que, poco después de enterarse de las observaciones de Hubble sobre la recesión de las nebulosas, Einstein consideraba un modelo de estado estacionariodel universo. [190] [191] En un manuscrito hasta ahora pasado por alto, aparentemente escrito a principios de 1931, Einstein exploró un modelo del universo en expansión en el que la densidad de la materia permanece constante debido a una creación continua de la materia, un proceso que él asoció con la constante cosmológica. . [192] [193] Como dijo en el documento, "En lo que sigue, me gustaría llamar la atención sobre una solución a la ecuación (1) que puede explicar los problemas de Hubbel [ sic] hechos, y en los que la densidad es constante en el tiempo "..." Si uno considera un volumen físicamente limitado, las partículas de materia lo dejarán continuamente. Para que la densidad permanezca constante, nuevas partículas de materia deben formarse continuamente en el volumen desde el espacio ".
Por lo tanto, parece que Einstein consideró un modelo de estado estacionario del universo en expansión muchos años antes de Hoyle, Bondi y Gold. [194] [195] Sin embargo, el modelo de estado estacionario de Einstein contenía un defecto fundamental y rápidamente abandonó la idea. [192] [193] [196]

Pseudotensor de energía

La relatividad general incluye un espacio-tiempo dinámico, por lo que es difícil ver cómo identificar la energía y el impulso conservados. El teorema de Noether permite que estas cantidades se determinen a partir de un lagrangiano con invarianza de la traducción , pero la covarianza general convierte la invarianza de la traducción en algo así como una simetría gauge . La energía y el ímpetu derivados en la relatividad general por las prescripciones de Noether no hacen un tensor real por esta razón.
Einstein argumentó que esto es cierto por una razón fundamental: el campo gravitatorio podría desaparecer por una elección de coordenadas. Sostuvo que el pseudotensor de impulso de energía no covariante era de hecho la mejor descripción de la distribución del impulso de energía en un campo gravitatorio. Lev Landau y Evgeny Lifshitz , y otros, se han hecho eco de este enfoque y se ha convertido en estándar.
El uso de objetos no covariantes como pseudotensores fue muy criticado en 1917 por Erwin Schrödinger y otros.

Agujeros de gusano

En 1935, Einstein colaboró ​​con Nathan Rosen para producir un modelo de un agujero de gusano , a menudo llamado puentes de Einstein-Rosen . [197] [198] Su motivación fue modelar partículas elementales con carga como una solución de ecuaciones de campo gravitatorio, en línea con el programa descrito en el documento "¿Los campos gravitacionales desempeñan un papel importante en la Constitución de las partículas elementales?". Estas soluciones cortaron y pegaron agujeros negros de Schwarzschild para hacer un puente entre dos parches. [199]
Si un extremo de un agujero de gusano estuviera cargado positivamente, el otro extremo estaría cargado negativamente. Estas propiedades llevaron a Einstein a creer que los pares de partículas y antipartículas podrían describirse de esta manera.

Teoría de Einstein-Cartan

Einstein, sentado en una mesa, levanta la vista de los papeles que está leyendo y mira la cámara.
Einstein en su oficina, Universidad de Berlín , 1920
Con el fin de incorporar partículas de punto de hilatura en la relatividad general, la conexión afín debía generalizarse para incluir una parte antisimétrica, llamada torsión . Esta modificación fue hecha por Einstein y Cartan en la década de 1920.

Ecuaciones de movimiento

La teoría de la relatividad general tiene una ley fundamental: las ecuaciones de Einstein que describen cómo las curvas espaciales, la ecuación geodésica que describe cómo se mueven las partículas pueden derivarse de las ecuaciones de Einstein.
Dado que las ecuaciones de la relatividad general no son lineales, una masa de energía formada por campos gravitacionales puros, como un agujero negro, se movería en una trayectoria que está determinada por las propias ecuaciones de Einstein, no por una nueva ley. Así que Einstein propuso que la ruta de una solución singular, como un agujero negro, se determinaría como una geodésica de la relatividad general en sí misma.
Esto fue establecido por Einstein, Infeld y Hoffmann para objetos puntuales sin momento angular, y por Roy Kerrpara objetos giratorios.

Teoria cuántica antigua

Fotones y quanta energéticos.

El efecto fotoeléctrico. Los fotones entrantes de la izquierda golpean una placa metálica (parte inferior) y expulsan electrones, que aparecen como volando hacia la derecha.
En un artículo de 1905, [200] Einstein postuló que la luz misma consiste en partículas localizadas ( cuantos ). Los cuantos de luz de Einstein fueron rechazados casi universalmente por todos los físicos, incluidos Max Planck y Niels Bohr. Esta idea solo se aceptó universalmente en 1919, con los experimentos detallados de Robert Millikan sobre el efecto fotoeléctrico y con la medición de la dispersión de Compton .
Einstein concluyó que cada onda de frecuencia f está asociada con una colección de fotones con energía hf cada uno, donde h es la constante de Planck . No dice mucho más, porque no está seguro de cómo se relacionan las partículas con la onda. Pero sí sugiere que esta idea explicaría ciertos resultados experimentales, en particular el efecto fotoeléctrico. [200]

Vibraciones atómicas cuantizadas

En 1907, Einstein propuso un modelo de materia donde cada átomo en una estructura reticular es un oscilador armónico independiente. En el modelo de Einstein, cada átomo oscila de forma independiente: una serie de estados cuantificados espaciados equitativamente para cada oscilador. Einstein era consciente de que sería difícil obtener la frecuencia de las oscilaciones reales, pero no obstante propuso esta teoría porque era una demostración particularmente clara de que la mecánica cuántica podría resolver el problema específico del calor en la mecánica clásica. Peter Debye refinó este modelo. [201]

Principios adiabáticos y variables de ángulo de acción.

A lo largo de la década de 1910, la mecánica cuántica se expandió en su alcance para cubrir muchos sistemas diferentes. Después de que Ernest Rutherford descubrió el núcleo y propuso que los electrones orbitaran como planetas, Niels Bohr pudo demostrar que los mismos postulados de la mecánica cuántica introducidos por Planck y desarrollados por Einstein explicarían el movimiento discreto de los electrones en los átomos y la tabla periódica de los elementos. .
Einstein contribuyó a estos desarrollos al vincularlos con los argumentos de 1898 que Wilhelm Wien había hecho. Wien había demostrado que la hipótesis de invariancia adiabática de un estado de equilibrio térmico permite que todas las curvas del cuerpo negro a diferentes temperaturas se deriven unas de otras mediante un simple proceso de cambio . Einstein observó en 1911 que el mismo principio adiabático muestra que la cantidad cuantificada en cualquier movimiento mecánico debe ser un invariante adiabático. Arnold Sommerfeld identificó este invariante adiabático como la variable de acción de la mecánica clásica.

Estadísticas de Bose – Einstein

En 1924, Einstein recibió una descripción de un modelo estadístico del físico indio Satyendra Nath Bose , basado en un método de conteo que suponía que la luz podía entenderse como un gas de partículas indistinguibles. Einstein observó que las estadísticas de Bose se aplicaban a algunos átomos, así como a las partículas de luz propuestas, y presentó su traducción del documento de Bose al Zeitschrift für Physik . Einstein también publicó sus propios artículos que describen el modelo y sus implicaciones, entre ellos el fenómeno del condensado de Bose-Einstein de que algunas partículas deberían aparecer a temperaturas muy bajas. [202] No fue hasta 1995 que el primer condensado fue producido experimentalmente porEric Allin Cornell y Carl Wieman usando equipos de enfriamiento ultra construidos en el laboratorio NIST - JILA en la Universidad de Colorado en Boulder . [203]Las estadísticas de Bose-Einstein ahora se usan para describir los comportamientos de cualquier conjunto de bosones . Los bocetos de Einstein para este proyecto se pueden ver en el Archivo de Einstein en la biblioteca de la Universidad de Leiden.

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