Desvelando el
Universo
Del microcosmos al
macrocosmos
UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES
Desvelando el Universo
(del microcosmos al macrocosmos)
Tema 4: Gravitación y Cosmología
Antonio López Maroto
Departamento de Física Teórica I
(30 de mayo de 2013)
Tema 0: Introducción
Tema 1: La visión del mundo previa al siglo XX
Tema 2: Relatividad Especial
Tema 3: Física Cuántica
Tema 4: Gravitación y Cosmología
Tema 5: Física atómica y nuclear
Tema 6: Física de partículas
PROGRAMA
Curso 2013
Actividad Complementaria: “El mundo de las partículas y los aceleradores”
Tema 7: Historia de la Astronomía y Astronomía básica
Tema 8: Los instrumentos del astrónomo
Tema 9: El trabajo del astrónomo profesional
Tema 10: El Sistema Solar
Actividad Complementaria: “Visita al Observatorio UCM
Tema 11: Las estrellas
Tema 12: El medio interestelar y la Vía Láctea
Tema 13: Las galaxias
Tema 14: Cosmología observacional
Las limitaciones de la Física Clásica
FÍSICA CLÁSICA
Velocidades pequeñas v << c
Relatividad
Especial
Tamaños grandes
Física Cuántica
Campos gravitatorios débiles
Relatividad General
La caída de los cuerpos
Todos los cuerpos caen con la misma
aceleración independientemente de su
masa y composición
F 
GMm
r
2
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Teoría de Relatividad General (1915)
Gmn  8pG Tmn
Geometría
Materia-Energía
RELATIVIDAD GENERAL (1915)
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Los cuerpos seguirían las trayectorias
que minimizan la distancia (geodésicas)
Ejemplo:
Madrid-Tokyo
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
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Avance del perihelio de Mercurio: 43’’
de arco: de acuerdo con RG
Velocidad de escape y agujeros negros
Velocidad de escape y agujeros negros
K. Schwarzschild
Si R < RS entonces Vescape > c
La luz no podría escapar del campo gravitatorio
Agujero negro
Agujeros negros
El agujero negro del centro de la galaxia
Radiación de Hawking
S. Hawking
Los agujeros negros se evaporan
por efectos cuánticos.
Tiempo de evaporación: 1063 años (MS)
Ondas gravitatorias
El universo hasta 1.5 Mpc: el Grupo Local
El universo hasta 30 Mpc: el supercúmulo de Virgo
Supercúmulos, filamentos y vacíos hasta 150 Mpc
El universo hasta 4300 Mpc: el alcance de las supernovas
EL
AND
UNIVERSO SE EXP
Cefeidas variables
E...
(1915-1929)
Vesto Slipher
H0-1 = 1.4 · 1010 años
Edwin Hubble
...ACELERADAMENTE (1998)
Supernovas tipo Ia
Acelerado
Decelerado-acelerado
Decelerado
¿CUÁNTOS ÁTOMOS HAY EN EL
UNIVERSO?
D, 3He, 4He, 7Li
Edad del Universo = 1 min
Temperatura = 1010 K
nB / ng = 10-10 h10
Densidad de bariones
1/4 nucleón/m3
rB= 4·10-31 g·cm-3
LA RADIACIÓN DEL FONDO
CÓSMICO DE MICROONDAS ES...
T= 2.725 K
...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??
El Universo a gran escala:
el modelo teórico
Gmn  8pG Tmn
Geometría
Materia-Energía
RELATIVIDAD GENERAL (1915)
LA GEOMETRÍA DEL UNIVERSO
Densidad crítica
r0 = 10-29 g·cm-3
rB= 4·10-31 g·cm-3
Curvatura
espacial:
rB << r0
(rB =0.044 r0)
r > r0
r < r0
Positiva
Negativa
r  r0
Plano
LA GEOMETRÍA DEL UNIVERSO
Tamaño del
horizonte
Plano
r  r0
r >> rB
Curvatura
negativa
WMAP 2003
LA DINÁMICA DEL UNIVERSO
Ritmo de expansión
Aceleración
 r1/2

(r +
3p)
… pero para la materia y la radiación
r> 0
p> 0
LA DINÁMICA DEL UNIVERSO
Aceleración

-
(r + 3p) > 0
p<0
Energía oscura
LA COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO
Elementos pesados
0.03 %
Neutrinos
<1.5 %
Estrellas
0.6 %
H y He gaseoso
4 %
Materia oscura
23 %
Energía oscura
73 %
LA EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO
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
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EL UNIVERSO OSCURO - UCM-Universidad Complutense …