Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Ondas gravitacionales


Las ondas gravitacionales son una predicción notable de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Son ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, generadas por algunos de los procesos más violentos y energéticos del universo. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz, llevando información sobre su origen cataclísmico.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales son similares a las ondulaciones que se esparcen por un estanque cuando se arroja una piedra al agua. Siempre que objetos masivos aceleran, como cuando estrellas de neutrones o agujeros negros orbitan entre sí o se fusionan, pueden crear ondulaciones en el espacio-tiempo. Estas ondas transportan energía lejos del sistema, haciendo que los objetos se acerquen entre sí.

Objeto gigante Onda gravitacional

Einstein propuso estas ondas como parte de su teoría de la relatividad general, publicada en 1915. La teoría describe la gravedad como una distorsión del espacio-tiempo causada por la masa: objetos masivos como estrellas y planetas distorsionan el tejido del espacio y del tiempo a su alrededor. Cuando estos objetos se mueven o interactúan, pueden crear ondas como esta que viajan hacia afuera.

Naturaleza de las ondas gravitacionales

La fuerza y el efecto de las ondas gravitacionales dependen de la masa de los objetos y de la naturaleza de su movimiento. Para dos cuerpos masivos orbitando entre sí, como agujeros negros binarios, los efectos pueden ser tan fuertes que pueden ser observados desde distancias de más de miles de millones de años luz.

Para entender esto, considere un sistema binario de dos estrellas masivas. A medida que estas estrellas orbitan entre sí, son atraídas más cerca por la gravedad, acelerando y emitiendo ondas gravitacionales. Este cambio es como una bailarina girándose a alta velocidad.

Potencia emitida en ondas gravitacionales (P) ∝ (G⁴m₁²m₂²a⁻⁵) / (c⁵)

Aquí G es la constante gravitacional, m₁ y m₂ son las masas, a es la distancia de separación, y c es la velocidad de la luz.

¿Por qué son difíciles de detectar?

Las ondas gravitacionales se vuelven extremadamente débiles para cuando llegan a la Tierra. Las ondas gravitacionales más poderosas son producidas por eventos catastróficos, como la fusión de agujeros negros. Sin embargo, para cuando nos llegan, incluso estas señales causan solo pequeñas distorsiones en el espacio-tiempo.

El tratamiento matemático de las ondas gravitacionales muestra que producen cambios que son solo una fracción del tamaño de un protón. Por lo tanto, su detección requiere instrumentos altamente sensibles. Estos instrumentos, como los observatorios LIGO y Virgo, son capaces de medir cambios en la escala de una milésima del diámetro de un protón.

Fusión de agujeros negros

fusión de agujeros negros

Cuando dos agujeros negros se fusionan, crean una de las fuentes más fuertes conocidas de ondas gravitacionales. A medida que los agujeros negros se acercan, su violenta fusión envía una onda de choque de vibraciones del espacio-tiempo que se detectan como ondas gravitacionales.

Detección de ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales permanecieron en el ámbito teórico durante décadas después de que Einstein las predijera. Muchas mejoras en tecnología y ciencia fueron necesarias antes de la primera detección directa. Este hito ocurrió en septiembre de 2015, cuando el detector LIGO midió ondas de la fusión de agujeros negros. Esta confirmación no solo apoyó la relatividad general, sino que también abrió una nueva forma de ver y comprender el universo.

Cómo funcionan los observatorios de ondas gravitacionales

Estos observatorios se basan en el principio de medir cambios minúsculos en la distancia a medida que las ondas gravitacionales pasan por la Tierra. Por ejemplo, LIGO utiliza láseres y espejos dispuestos en una forma de L para monitorear con extrema precisión el movimiento relativo de los espejos ubicados a kilómetros de distancia.

haz de láser

Los espejos están montados en los extremos de los dos brazos de la instalación, y un haz de láser se divide para viajar por cada brazo. Cualquier onda gravitacional que pase cambia ligeramente la longitud de los brazos, causando variaciones en el patrón de los haces de luz recombinados en el detector. Medir estos cambios ayuda a los científicos a inferir las características de las ondas gravitacionales detectadas, como su origen.

Implicaciones de las ondas gravitacionales

El descubrimiento de las ondas gravitacionales tiene enormes implicaciones para la física y la astronomía. Nos permiten "escuchar" procesos cósmicos que anteriormente eran invisibles para los telescopios convencionales. Las ondas gravitacionales proporcionan datos de regiones del espacio que de otro modo están ocultas, como los interiores de los agujeros negros o la superficie más distante del Sol.

Además de probar la teoría de Einstein, estas ondas proporcionan información sobre los siguientes fenómenos:

  • La fusión de estrellas de neutrones, que puede ofrecer pistas sobre la creación de elementos más pesados.
  • Supernovas colapsantes del núcleo, la muerte de estrellas por explosiones.
  • El universo muy temprano, proporcionando un vistazo a las condiciones cosmológicas solo momentos después del Big Bang.

Conclusión

Las ondas gravitacionales son un pilar de la astrofísica moderna, ofreciendo una nueva forma de estudiar y comprender nuestro universo. Desde los eventos cataclísmicos que generan estas ondas hasta su cuidadosa detección, la ciencia de las ondas gravitacionales está a la vanguardia de la combinación de teoría y tecnología. A medida que los observatorios continúan refinando sus mediciones, estamos seguros de aprender mucho más sobre uno de los fenómenos más misteriosos y poderosos del universo.


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