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LUZ Y MATERIA
El estudio del Universo se basa, fundam., en interpretar la luz que nos llega.
También se analizan otras fuentes de energía: rayos X, ondas de radio, rayos , neutrones,...
La luz es energía irradiada en forma de fotones (partículas sin masa), que se propagan en forma de ondas. La cantidad de energía de un fotón determina en nosotros la impresión de un color; los fotones azules son más energéticos que los rojos. La descomposición de la luz en colores en su espectro. |
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Un fotón se caracteriza por:
- Su energía (en ergs).
- Su frecuencia (medida en hertz = s-1) (frecuencia = E/h, siendo h=cte. de Planck). La frecuencia de un fotón, es, pues, proporcional a su energía.
- Por su longitud de onda (= c/frec) (medida en Angströn: 1 Å = 10-10 m). El intervalo visible va de 7000 Å (rojo) a 4000 Å (violeta).
- La luz (forma de energía) está relacionada con la materia por el ecuación de EINSTEIN: E=mc2.
Ver el experimento de MICHELSON que prueba la inexistencia del éter y la constancia de la velociad de la luz.
Ver la medida de la velocidad de la luz.
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Isaac Newton fue el primero en descomponer la luz blanca en colores, haciéndola pasar por un prisma. Con otro prisma podemos recoger dichos colores y volver a formar luz blanca (el 2º prisma también puede sustituirse por una lente que concentre todos los colores en una pantalla dando luz blanca).
La distribución las energías fotónicas (colores) de una fuente es su espectro. Se ve con el espectroscopio. |
Los espectrógrafos se basan en:
- La difracción de la luz (espectrógrafos de parrilla).
- La refracción de la luz (espectrógrafos de prisma).
Cada elemento químico incandescente da un espectro de bandas coloreadas y rayas brillantes característico (espectrograma).
Al descomponer la luz solar, FRAUNHOFER encontró en su espectro unas líneas oscuras (líneas de Fraunhofer o de absorción) (que no supo explicar). Después se supo que se deben a la luz que absorben los gases que atraviesa la luz: cada elemento absorbido deja una peculiar raya oscura (espectro de absorción) allí donde debía estar su raya brillante. Con las rayas brillantes podemos analizar la composición de las estrellas y con las rayas oscuras, la composición de las nebulosas.
Ver tipos de espectros.
UNIFORMIDAD EN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL UNIVERSO (principio de unidad)
Existe una gran uniformidad en la composición química cualitativa del universo (el sistema periódico de los elementos es universal), aunque hay variaciones cuantitativas.
LEY DE LA GRAVITACIÓN UNIVERSAL (Newton, 1687)
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Siendo G = 6,67·10-11 N·m2/kg2.
Si intervienen más de dos cuerpos, las ecuaciones matemáticas no tienen solución exacta: se habla de perturbaciones. |
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LEYES DE KEPPLER
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1ª ley:
Todos los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas planas, en las que el Sol ocupa uno de los focos de la elipse. |
2ª ley o Ley de las áreas iguales:
El segmento que une al Sol con el planeta (radio-vector) a lo largo de su periodo de traslación, barre áreas iguales en tiempos iguales.
Esto significa que la velocidad orbital de un planeta aumenta cuando éste se aproxima al Sol, siendo máxima en el perihelio y mínima en el afelio. |
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3ª ley:
Los cuadrados de los periodos de traslación de los planetas son proporcionales a los cubos de sus semiejes mayores:
T²=k·R³. |
LEY DE WIEN
Un cuerpo caliente, a una temperatura T, emite fotones de muchos tipos, pero con un máx. en una longitud de onda determinada, relacionada con la temperatura T por la fórmula: λ·T = C (C=cte.=2,897·10-3 m.ºK).
LEY DE STEFAN-BOLTZMAN
Se llama Intensidad de energía (I) que emite un cuerpo, a la energía que emite por m2. La intensidad de energía que emite un cuerpo que se calienta es proporcional a la 4ª potencia de T:
I = σ · T4 (siendo: σ=cte.=5,7·10-8 w/m2).
Postulados:
(i) c=cte. (siendo c la velocidad de la luz).
(ii) Nada puede ir más rápido que la luz. Ver la paradoja de la simultaneidad en relatividad especial.
(iii) La materia se puede convertir en energía y viceversa, según la ecuación: E=m · c².
(iV) La masa gravitatoria deforma el espacio a su alrededor, de tal forma que puede desviar incluso la luz. |
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Einstein unificó el espacio y el tiempo en una sola entidad: el espacio-tiempo, cuya estructura es "elástica". La gravedad, en lugar de ser considerada como una fuerza, es atribuida a la estructura geométrica del espacio-tiempo. La presencia de un cuerpo gravitante curva el espacio-tiempo de su entorno, y es esta curvatura lo que perturba las trayectorias de los demás cuerpos al moverse por el espacio que lo rodea.
A velocidades pequeñas (comparadas con c), son válidas las ecuaciones de la Física tradicional, consideradas un caso particular de las ecuaciones de Einstein. |
Einstein concebía el Universo como un espacio-tiempo con una geometría de esfera tetradimensional, sin limites pero finito, con curvaturas espacio-temporales debidas a la presencia de masas gravitatorias. El interior de la esfera no existe o no pertenece a este Universo. Las ecuaciones de Einstein daban un Universo en expansión, pero introdujo la llamada "cte. cosmológica" que hacía que el Universo se mantuviera estático (ya que esto era lo que se creía en 1917) (después hubo de retirarla).
Pero las ecuaciones de Einstein no daban una solución única, sino muchas: para de De Sitter, el Universo era estático, siempre que estuviera vacío de materia. Pero cuando en este modelo se introducía la materia (Weyl), las ecuaciones daban que el Universo se expandía. Friedman (1922), quien aceptó la expansión del Universo, ofreció un modelo del Universo con tres familias de soluciones distintas, con diferentes curvaturas (positiva, negativa y plana) según que la densidad fuese mayor, menor o igual a cierta masa crítica.
EL PRINCIPIO COSMOLÓGICO PERFECTO
(uniformidad en la distribución de la materia en el Universo)
El universo aparece igual a todo observador, en cualquier punto del mismo y en cualquier tiempo. En cualquier dirección en que se mire se observa la misma densidad de galaxias de un idéntico brillo.
| Ello indica que la materia del universo está distribuida uniformente. Cualquier observador, situado en cualquier galaxia, creerá estar en el centro del universo, viendo alejarse de él a todas las demás galaxias, en un universo en expansión. Ello es debido a que en el universo no hay un sistema fijo de referencia. |
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Las leyes de Universo son las necesarias para que pueda aparecer el hombre sobre la Tierra, y dependen de unos cuantos números llamados constantes universales.
Veamos algunos ej. de constantes universales: |
(i) La intensidad de la gravedad, g
- si g fuese un poco mayor, la gravedad sería más intensa por todas partes las estrellas se consumirían más deprisa, lo que hubiera impedido la aparición de la vida.
- si g fuera algo menor, sólo habría enanas rojas, con lo que no habría planetas templados tipo Tierra.
(ii) Otra cte. controla la velocidad a la que se fusionan los átomos en las estrellas, creando átomos más pesados, como el C, base de la vida. Si esta cte. fuese distinta, habría poco C en el Universo, y la vida sería imposible, tal como la conocemos.
(iii) Otra cte. es la velocidad inicial del Big-Bang:
- si esa velocidad fuese mayor no se habría podido formar condensaciones de materia como las galaxias.
- si esa velocidad fuese lenta, el Universo se habría colapsado hace tiempo.
Estas constantes (y otras) parece que son las necesarias para que la vida haya podido desarrollarse (y, en particular, la humana).
Este principio está sujeto a controversias. Puede haber otros universos con constantes diferentes, todo puede ser una casualidad gracias a la cual existimos. |
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