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UNIDAD 5 ASTRONOMÍA – GEOFÍSICA – Univ. Nac. de San Juan TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD Cinemática Para calcular intervalos de tiempo entre dos sucesos usamos La Relatividad de la Simultaneidad Medidas hechas con un solo reloj: obviamente es posible cuando los sucesos ocurren en un mismo lugar. Si el tiempo medido para cada evento es el mismo, los eventos serán simultáneos Para calcular intervalos de tiempo entre dos sucesos usamos La Relatividad de la Simultaneidad E1,2 Medidas hechas con un solo reloj: obviamente es posible cuando los sucesos ocurren en un mismo lugar. Si el tiempo medido para cada evento es el mismo, los eventos serán simultáneos Medidas hechas con dos relojes: es cuando los sucesos ocurren en lugares diferentes. Debo entonces restar los tiempos medidos usando relojes sincronizados Para calcular intervalos de tiempo entre dos sucesos usamos La Relatividad de la Simultaneidad E1,2 E2 E1 Medidas hechas con un solo reloj: obviamente es posible cuando los sucesos ocurren en un mismo lugar. Si el tiempo medido para cada evento es el mismo, los eventos serán simultáneos Medidas hechas con dos relojes: es cuando los sucesos ocurren en lugares diferentes. Debo entonces restar los tiempos medidos usando relojes sincronizados Para calcular intervalos de tiempo entre dos sucesos usamos La Relatividad de la Simultaneidad E1,2 E2 E1 ¿Cómo sincronizar correctamente los relojes? Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Cada observador, A y B, posee una fuente de luz y un reloj. A prende su fuente de luz cuando su reloj marca t=0 y B pone su reloj en t=L/c cuando recibe la señal 3 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Cada observador, A y B, posee una fuente de luz y un reloj. A prende su fuente de luz cuando su reloj marca t=0 y B pone su reloj en t=L/c cuando recibe la señal 3 Poner la fuente de luz en el punto medio de la recta que va desde A hasta B. Cada observador pone su reloj en cero cuando recibe la señal 4 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Cada observador, A y B, posee una fuente de luz y un reloj. A prende su fuente de luz cuando su reloj marca t=0 y B pone su reloj en t=L/c cuando recibe la señal 3 Poner la fuente de luz en el punto medio de la recta que va desde A hasta B. Cada observador pone su reloj en cero cuando recibe la señal 4 Para el otro observador no estarán sincronizados y el otro reloj atrasaría en 2L/c ERROR ! Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Cada observador, A y B, posee una fuente de luz y un reloj. A prende su fuente de luz cuando su reloj marca t=0 y B pone su reloj en t=L/c cuando recibe la señal 3 Poner la fuente de luz en el punto medio de la recta que va desde A hasta B. Cada observador pone su reloj en cero cuando recibe la señal 4 Para el otro observador no estarán sincronizados y el otro reloj atrasaría en 2L/c ERROR ! El movimiento de los relojes afecta sus lecturas ERROR ! Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Cada observador, A y B, posee una fuente de luz y un reloj. A prende su fuente de luz cuando su reloj marca t=0 y B pone su reloj en t=L/c cuando recibe la señal 3 Poner la fuente de luz en el punto medio de la recta que va desde A hasta B. Cada observador pone su reloj en cero cuando recibe la señal 4 Para el otro observador no estarán sincronizados y el otro reloj atrasaría en 2L/c ERROR ! El movimiento de los relojes afecta sus lecturas ERROR ! El observador en B compensa correctamente el tiempo de transmisión de la señal BIEN ! Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo para uno de los observadores Tenemos al menos 4 formas de hacerlo La Relatividad de la Simultaneidad 1 Poner los relojes de manera que indiquen el mismo tiempo y luego trasladarlos a las posiciones donde ocurren los eventos 2 Cada observador, A y B, posee una fuente de luz y un reloj. A prende su fuente de luz cuando su reloj marca t=0 y B pone su reloj en t=L/c cuando recibe la señal 3 Poner la fuente de luz en el punto medio de la recta que va desde A hasta B. Cada observador pone su reloj en cero cuando recibe la señal 4 Para el otro observador no estarán sincronizados y el otro reloj atrasaría en 2L/c ERROR ! El movimiento de los relojes afecta sus lecturas ERROR ! El observador en B compensa correctamente el tiempo de transmisión de la señal BIEN ! Aunque claro, es una configuración muy particular BIEN ! Definición de Simultaneidad La Relatividad de la Simultaneidad Dos sucesos que ocurren en dos lugares diferentes de un sistema de referencia deben considerarse simultáneos cuando los relojes de los lugares respectivos registran el mismo tiempo para ellos Definición de Simultaneidad La Relatividad de la Simultaneidad Dos sucesos que ocurren en dos lugares diferentes de un sistema de referencia deben considerarse simultáneos cuando los relojes de los lugares respectivos registran el mismo tiempo para ellos Si dos eventos independientes son simultáneos para un observador inercial ¿Lo serán para otro que se mueva con velocidad v respecto al primero? Definición de Simultaneidad La Relatividad de la Simultaneidad Dos sucesos que ocurren en dos lugares diferentes de un sistema de referencia deben considerarse simultáneos cuando los relojes de los lugares respectivos registran el mismo tiempo para ellos Si dos eventos independientes son simultáneos para un observador inercial Imaginemos que dos rayos caen simultáneamente en los extremos de un tren moviéndose con velocidad v en el sistema S unido al andén. La luz procedente de estos sucesos simultáneos alcanza al observador C situado en el punto medio entre ambos al mismo tiempo ¿Lo serán para otro que se mueva con velocidad v respecto al primero? Definición de Simultaneidad La Relatividad de la Simultaneidad Dos sucesos que ocurren en dos lugares diferentes de un sistema de referencia deben considerarse simultáneos cuando los relojes de los lugares respectivos registran el mismo tiempo para ellos Si dos eventos independientes son simultáneos para un observador inercial Imaginemos que dos rayos caen simultáneamente en los extremos de un tren moviéndose con velocidad v en el sistema S unido al andén. La luz procedente de estos sucesos simultáneos alcanza al observador C situado en el punto medio entre ambos almismo tiempo ¿Lo serán para otro que se mueva con velocidad v respecto al primero? Para C, los eventos AA’ y BB’ son simultáneos La Relatividad de la Simultaneidad En cambio, el observador C’ en S’ que continua desplazándose hacia la derecha durante el tiempo de viaje de las señales, encuentra que el evento AA’ ocurrió antes que BB’ La Relatividad de la Simultaneidad En cambio, el observador C’ en S’ que continua desplazándose hacia la derecha durante el tiempo de viaje de las señales, encuentra que el evento AA’ ocurrió antes que BB’ Para C’, los eventos AA’ y BB’ NO son simultáneos La simultaneidad es un concepto relativo La Transformación de Lorentz Consideremos dos observadores O y O’, con O’ moviéndose con relación a O a velocidad de magnitud v en la dirección positiva de los ejes x y x’ y x, x’ O y’ O’ v S z z’ S’ La Transformación de Lorentz Consideremos dos observadores O y O’, con O’ moviéndose con relación a O a velocidad de magnitud v en la dirección positiva de los ejes x y x’ y x, x’ O y’ O’ v S Los planos x’y’ y xy coinciden siempre y los orígenes de sus sistemas de referencia coinciden en el instante t=t’=0 z z’ S’ La Transformación de Lorentz Consideremos dos observadores O y O’, con O’ moviéndose con relación a O a velocidad de magnitud v en la dirección positiva de los ejes x y x’ y x, x’ O y’ O’ v S Los planos x’y’ y xy coinciden siempre y los orígenes de sus sistemas de referencia coinciden en el instante t=t’=0 En ese instante, O’ enciende una lámpara localizada en el origen de su sistema de referencia y se produce un frente de onda de luz que se extiende en todas direcciones desde el punto de emisión con una velocidad de magnitud c z z’ S’ (A) La Transformación de Lorentz Consideremos dos observadores O y O’, con O’ moviéndose con relación a O a velocidad de magnitud v en la dirección positiva de los ejes x y x’ y x, x’ O y’ O’ v S Los planos x’y’ y xy coinciden siempre y los orígenes de sus sistemas de referencia coinciden en el instante t=t’=0 En ese instante, O’ enciende una lámpara localizada en el origen de su sistema de referencia y se produce un frente de onda de luz que se extiende en todas direcciones desde el punto de emisión con una velocidad de magnitud c z z’ S’ Las coordenadas de cualquier punto del frente de onda satisfacen la ecuación de una esfera centrada en el origen Según O Según O’ (B) Queremos encontrar la relación entre los dos conjuntos de variables (x, y, z, t) y (x’, y’, z’, t’) que permita que ambas ecuaciones sean válidas y permitan transformar una ecuación en la otra La Transformación de Lorentz Podemos suponer la siguiente forma para las ecuaciones de transformación es una cantidad adimensional que puede depender de v y c pero no de las coordenadas debe tener dimensiones de tiempo y depender también de estas velocidades La Transformación de Lorentz Podemos suponer la siguiente forma para las ecuaciones de transformación es una cantidad adimensional que puede depender de v y c pero no de las coordenadas debe tener dimensiones de tiempo y depender también de estas velocidades Reescribiendo la ecuación (A) en función de las variables no primadas La Transformación de Lorentz Podemos suponer la siguiente forma para las ecuaciones de transformación es una cantidad adimensional que puede depender de v y c pero no de las coordenadas debe tener dimensiones de tiempo y depender también de estas velocidades Reescribiendo la ecuación (A) en función de las variables no primadas Para obtener la ecuación (B) debemos cancelar el término que contiene la combinación de variables . La cancelación se cumple para todo valor de la variable cuando La Transformación de Lorentz Podemos suponer la siguiente forma para las ecuaciones de transformación es una cantidad adimensional que puede depender de v y c pero no de las coordenadas debe tener dimensiones de tiempo y depender también de estas velocidades Reescribiendo la ecuación (A) en función de las variables no primadas Para obtener la ecuación (B) debemos cancelar el término que contiene la combinación de variables . La cancelación se cumple para todo valor de la variable cuando Reemplazando y sacando factor común y en los términos restantes La Transformación de Lorentz Comparando esta expresión con la forma (B), obtenemos que 29 La Transformación de Lorentz Comparando esta expresión con la forma (B), obtenemos que factor gamma Adimensional Siempre >1 Si 30 La Transformación de Lorentz Comparando esta expresión con la forma (B), obtenemos que factor gamma Adimensional Siempre >1 Si En conclusión La transformación de Lorentz relaciona las coordenadas de espacio y tiempo de un suceso en el sistema S (x,y,z,t) y las coordenadas del mismo suceso en el sistema S’ (x’,y’,z’,t’), que se mueve respecto de S con velocidad v a lo largo del eje común xx’ Obviamente, si las transformaciones de Lorentz se reducen a las transformaciones galileanas 31 La Transformación de Lorentz Comparando esta expresión con la forma (B), obtenemos que factor gamma Adimensional Siempre >1 Si En conclusión La transformación de Lorentz relaciona las coordenadas de espacio y tiempo de un suceso en el sistema S (x,y,z,t) y las coordenadas del mismo suceso en el sistema S’ (x’,y’,z’,t’), que se mueve respecto de S con velocidad v a lo largo del eje común xx’ Obviamente, si las transformaciones de Lorentz se reducen a las transformaciones galileanas Las consecuencias de la tranf. de Lorentz son Dilatación del Tiempo Contracción del espacio 32 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo El intervalo de tiempo entre dos sucesos que ocurren en el mismo lugar en cierto sistema de referencia, es siempre menor que el intervalo de tiempo existente entre los mismos sucesos, medido en otro sistema de referencia en el que los sucesos se producen en lugares diferentes tiempo propio Dos sucesos se producen en x0’ en los instantes t1’ y t2’ en el sistema S’. En el sistema S, los tiempos correspondientes son t1 y t2 tal que: 33 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo El intervalo de tiempo entre dos sucesos que ocurren en el mismo lugar en cierto sistema de referencia, es siempre menor que el intervalo de tiempo existente entre los mismos sucesos, medido en otro sistema de referencia en el que los sucesos se producen en lugares diferentes tiempo propio Dos sucesos se producen en x0’ en los instantes t1’ y t2’ en el sistema S’. En el sistema S, los tiempos correspondientes son t1 y t2 tal que: Tiempo transcurrido entre dos sucesos que ocurren en un mismo lugar en un sistema de referencia (en este caso es medido por S’). Como , es el menor tiempo plausible de medición por cualquier observador Tiempo Propio 34 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo El intervalo de tiempo entre dos sucesos que ocurren en el mismo lugar en cierto sistema de referencia, es siempre menor que el intervalo de tiempo existente entre los mismos sucesos, medido en otro sistema de referencia en el que los sucesos se producen en lugares diferentes tiempo propio El intervalo de tiempo medido en cualquier otro sistema es siempre más largo que el tiempo propio. Cualquier medición de tiempo en lugares diferentes será de tiempos dilatados o impropios Dos sucesos se producen en x0’ en los instantes t1’ y t2’ en el sistema S’. En el sistema S, los tiempos correspondientes son t1 y t2 tal que: Tiempo transcurrido entre dos sucesos que ocurren en un mismo lugar en un sistema de referencia (en este caso es medido por S’). Como , es el menor tiempo plausible de medición por cualquier observador Tiempo Propio 35 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo Relojes en satélites 10-12 36 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo Se retrasan (resp. a la tierra) por su velocidad orbitalrelativa Relojes en satélites 10-12 37 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo Se retrasan (resp. a la tierra) por su velocidad orbital relativa Relojes en satélites Se acelaran (resp. a la tierra) por su distancia a el pozo de potencial gravitatorio de la Tierra (dilatación gravitacional del tiempo) 10-12 38 Consecuencias de Lorentz 1 : dilatación del tiempo Se retrasan (resp. a la tierra) por su velocidad orbital relativa Relojes en satélites Se acelaran (resp. a la tierra) por su distancia a el pozo de potencial gravitatorio de la Tierra (dilatación gravitacional del tiempo) Efecto neto 10-12 39 Consecuencias de Lorentz 2 : contracción del espacio Es la longitud de un objeto medida en el sistema de referencia en que dicho objeto se encuentra en reposo Longitud Propia (L0) En un sistema de referencia en el que el objeto se está moviendo, la longitud medida es más corta que su longitud propia Supongamos una varilla en reposo en el sistema S’, con un extremo en x2’ y el otro en x1’ 40 Consecuencias de Lorentz 2 : contracción del espacio Es la longitud de un objeto medida en el sistema de referencia en que dicho objeto se encuentra en reposo Longitud Propia (L0) En un sistema de referencia en el que el objeto se está moviendo, la longitud medida es más corta que su longitud propia Supongamos una varilla en reposo en el sistema S’, con un extremo en x2’ y el otro en x1’ La longitud de la varilla es L=x2-x1 donde x1 es la posición de un extremo en un instante t1 y x2 la posición del otro extremo en el mismo instante t2=t1, medidos en S long. propia L0 long. contraída L 41 Consecuencias de Lorentz 2 : contracción del espacio Es la longitud de un objeto medida en el sistema de referencia en que dicho objeto se encuentra en reposo Longitud Propia (L0) En un sistema de referencia en el que el objeto se está moviendo, la longitud medida es más corta que su longitud propia Supongamos una varilla en reposo en el sistema S’, con un extremo en x2’ y el otro en x1’ La longitud de la varilla es L=x2-x1 donde x1 es la posición de un extremo en un instante t1 y x2 la posición del otro extremo en el mismo instante t2=t1, medidos en S long. propia L0 long. contraída L Esta contracción del espacio es a lo largo de la dirección del movimiento relativo ¿Qué ocurrirá con la dimensiones perpendiculares al movimiento (ej. el ancho de la varilla)? 42 Consecuencias de Lorentz 2 : contracción del espacio Es la longitud de un objeto medida en el sistema de referencia en que dicho objeto se encuentra en reposo Longitud Propia (L0) En un sistema de referencia en el que el objeto se está moviendo, la longitud medida es más corta que su longitud propia Supongamos una varilla en reposo en el sistema S’, con un extremo en x2’ y el otro en x1’ La longitud de la varilla es L=x2-x1 donde x1 es la posición de un extremo en un instante t1 y x2 la posición del otro extremo en el mismo instante t2=t1, medidos en S long. propia L0 long. contraída L Esta contracción del espacio es a lo largo de la dirección del movimiento relativo ¿Qué ocurrirá con la dimensiones perpendiculares al movimiento (ej. el ancho de la varilla)? nada, nothing, nichts ! Las longitudes perpendiculares al movimiento relativo son iguales en ambos sistemas 43 Postulados de Einstein: deducción de la dilatación del tiempo Consideremos un observador A’ en reposo en el sistema S’ que dispara destellos de luz y mide el tiempo que tardan en ir y volver hasta un espejo Postulados de Einstein: deducción de la dilatación del tiempo Consideremos un observador A’ en reposo en el sistema S’ que dispara destellos de luz y mide el tiempo que tardan en ir y volver hasta un espejo En el sistema S’, A’ y el espejo están en reposo. El tiempo para que la señal viaje, se refleje y vuelva es Postulados de Einstein: deducción de la dilatación del tiempo Consideremos un observador A’ en reposo en el sistema S’ que dispara destellos de luz y mide el tiempo que tardan en ir y volver hasta un espejo En el sistema S’, A’ y el espejo están en reposo. El tiempo para que la señal viaje, se refleje y vuelva es En el sistema S, A’ y el espejo se están moviendo con velocidad v. El tiempo empleado por la luz en llegar hasta el espejo y volver es mayor porque mayor es la distancia recorrida. Del triángulo… Postulados de Einstein: deducción de la contracción del espacio En el mismo ejemplo anterior, supongamos que x1 y x2 están en los extremos de una varilla calibrada de longitud L0=x2-x1 medida en el sistema S en el cual la varilla está en reposo El observador en Tierra mide la longitud L0 y afirma que un observador A’ en S’ cubrió esta distancia en un tiempo Δt tal que En el sistema S’ la varilla se mueve con velocidad v y emplea un tiempo Δt’ para moverse pasando delante de A’ Como , resulta entonces que L’<L0, es decir la longitud propia se ve contraída en un factor desde el otro sistema de referencia Ejemplo: decaimiento de muones Los muones () son partículas de masa muy pequeña y tiempo de vida muy cortos que aparecen en las interacciones de rayos cósmicos con átomos de la alta atmósfera terrestre Su tiempo de vida medio es de y viajan a velocidad v=0.998c apenas pueden recorrer ~600 m En el sist. de referencia de la Tierra, el tiempo de vida medio se ve dilatado en un factor de ahora este tiempo es de puede recorrer ~9000 m Si los muones se comportaran clásicamente, deberíamos detectar un flujo muy pequeño al nivel del mar, pero en la realidad se detectan flujos ~1.2 millones de veces más elevados, en concordancia con las predicciones relativistas Suma Relativista de Velocidades Derivando las ecuaciones de transformación de Lorentz, podemos hallar cómo se transforman las velocidades de un sistema a otro En el sistema S’ y x, x’ O y’ O’ v S z z’ S’ En el sistema S Suma Relativista de Velocidades Derivando las ecuaciones de transformación de Lorentz, podemos hallar cómo se transforman las velocidades de un sistema a otro En el sistema S’ y x, x’ O y’ O’ v S z z’ S’ En el sistema S De las ecuaciones de transformación de Lorentz Suma Relativista de Velocidades Derivando las ecuaciones de transformación de Lorentz, podemos hallar cómo se transforman las velocidades de un sistema a otro En el sistema S’ y x, x’ O y’ O’ v S z z’ S’ En el sistema S De las ecuaciones de transformación de Lorentz Procedemos análogamente para el ejes y y z Suma Relativista de Velocidades Las transformaciones completas (para un mov. relativo sobre el eje x-x’) son entonces Suma Relativista de Velocidades Las transformaciones completas (para un mov. relativo sobre el eje x-x’) son entonces Notemos que cuando v y ux son pequeñas con relación a c Las expresiones relativistas se reducen a las expresione clásicas Efecto Doppler Relativista Para las ondas de sonido, la variación de su frecuencia depende de si la fuente o el receptor se están moviendo (pues lo hacen respecto a un medio: el aire). Para las ondas electromagnéticas no cabe esta distinción y todo lo que importa el movimiento relativo Efecto Doppler Relativista Para las ondas de sonido, la variación de su frecuencia depende de si la fuente o el receptor se están moviendo (pues lo hacen respecto a un medio: el aire). Para las ondas electromagnéticas no cabe esta distinción y todo lo que importa el movimiento relativo Consideremos una fuente que se mueve hacia un receptor con velocidad v emitiendo N ondas electromagnéticas en tiempo ∆tR R E v En este tiempo ∆tR la primer onda del tren recorre c∆tR En este tiempo ∆tR la fuente recorre v∆tR Efecto Doppler Relativista Para las ondas de sonido, la variación de su frecuencia depende de si la fuente o el receptor se están moviendo (pues lo hacen respecto a un medio: el aire). Para las ondas electromagnéticas no cabe esta distinción y todo lo que importa elmovimiento relativo Consideremos una fuente que se mueve hacia un receptor con velocidad v emitiendo N ondas electromagnéticas en tiempo ∆tR R E v En este tiempo ∆tR la primer onda del tren recorre c∆tR En este tiempo ∆tR la fuente recorre v∆tR En el sistema de la fuente, la misma emite ondas en un tiempo (propio) , con frecuencia Efecto Doppler Relativista Si E y R se acercan Efecto Doppler Relativista Si E y R se acercan Si E y R se alejan Efecto Doppler Relativista Si E y R se acercan Si E y R se alejan Si y forman un ángulo (efecto Doppler transverso) Efecto Doppler Relativista Si E y R se acercan Si E y R se alejan Si y forman un ángulo (efecto Doppler transverso) Lavf58.12.100
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