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El espacio de Minkowski                    Curvatura 1D          Curvatura 2D y más allá




                          Las matemáticas de la relatividad

                              José Antonio Pastor González

                                        CPR de Cehegín
                                 Lunes 14 de noviembre de 2011


                         La geometría del espacio-tiempo:
                una introducción al pensamiento de Albert Einstein
El espacio de Minkowski      Curvatura 1D   Curvatura 2D y más allá



                          Contenidos



      1    El espacio de Minkowski


      2    Curvatura 1D


      3    Curvatura 2D y más allá
El espacio de Minkowski      Curvatura 1D   Curvatura 2D y más allá



                          Contenidos



      1    El espacio de Minkowski


      2    Curvatura 1D


      3    Curvatura 2D y más allá
El n´mero de felicitaciones por a˜o nuevo
    u
 El espacio de Minkowski         n                         Curvatura 1D                                   Curvatura 2D y más allá



              Aquí nos quedamos... efecto Doppler
      Vemos que Diana recibe 10 felicitaciones. Diana recibe s´lo una antes de llegar a α Centauro, cuando hab´ pasado 3 a˜os, just
                                                              o                                               ıan         n

      de dar la vuelta. Las 9 restantes le llegan durante su viaje de vuelta a raz´n de una cada 1/3 a˜o (4 meses).
                                                                                  o                   n
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



    Las matemáticas de la relatividad especial


             tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos
             con coordenadas (x, t)
             en este plano estamos modelando un espacio-tiempo
             2-dimensional tal y como lo referencia un observador
             inercial arbitrario
             cualquier otro observador inercial – en configuración
             estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano
             que vienen dadas por los ejes habituales
             así pues, un universo con una única dimensión espacial y
             sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente
             modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



    Las matemáticas de la relatividad especial


             tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos
             con coordenadas (x, t)
             en este plano estamos modelando un espacio-tiempo
             2-dimensional tal y como lo referencia un observador
             inercial arbitrario
             cualquier otro observador inercial – en configuración
             estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano
             que vienen dadas por los ejes habituales
             así pues, un universo con una única dimensión espacial y
             sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente
             modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



    Las matemáticas de la relatividad especial


             tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos
             con coordenadas (x, t)
             en este plano estamos modelando un espacio-tiempo
             2-dimensional tal y como lo referencia un observador
             inercial arbitrario
             cualquier otro observador inercial – en configuración
             estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano
             que vienen dadas por los ejes habituales
             así pues, un universo con una única dimensión espacial y
             sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente
             modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



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             tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos
             con coordenadas (x, t)
             en este plano estamos modelando un espacio-tiempo
             2-dimensional tal y como lo referencia un observador
             inercial arbitrario
             cualquier otro observador inercial – en configuración
             estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano
             que vienen dadas por los ejes habituales
             así pues, un universo con una única dimensión espacial y
             sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente
             modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



    Las matemáticas de la relatividad especial


             si A ∈ L2 es un punto del plano, entonces A representa un
             suceso, un evento
             un mismo punto A tiene distintas coordenadas según el
             observador inercial que consideremos
             pero aunque A se lea de forma distinta según el
             observador, sabemos que hay cosas invariantes: el
             estudio de las propiedades que permanecen invariantes
             es muy importante porque tales propiedades no
             dependen del observador: serán leyes físicas válidas
             para cualquier sistema inercial
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



    Las matemáticas de la relatividad especial


             si A ∈ L2 es un punto del plano, entonces A representa un
             suceso, un evento
             un mismo punto A tiene distintas coordenadas según el
             observador inercial que consideremos
             pero aunque A se lea de forma distinta según el
             observador, sabemos que hay cosas invariantes: el
             estudio de las propiedades que permanecen invariantes
             es muy importante porque tales propiedades no
             dependen del observador: serán leyes físicas válidas
             para cualquier sistema inercial
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



    Las matemáticas de la relatividad especial


             si A ∈ L2 es un punto del plano, entonces A representa un
             suceso, un evento
             un mismo punto A tiene distintas coordenadas según el
             observador inercial que consideremos
             pero aunque A se lea de forma distinta según el
             observador, sabemos que hay cosas invariantes: el
             estudio de las propiedades que permanecen invariantes
             es muy importante porque tales propiedades no
             dependen del observador: serán leyes físicas válidas
             para cualquier sistema inercial
El espacio de Minkowski                 Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                                 Invariantes


             si A, B ∈ L2 y tienen coordenadas A = (xA , tA ), B = (xB , tB )
             en cierto sistema inercial, entonces consideramos el
             vector AB = (xB − xA , tB − tA ) = (∆x, ∆t)
             se define el módulo de AB como

                               |AB| =       ±(∆x)2     (∆t)2

             es una buena definición ya que no depende de las
             coordenadas escogidas (recuérdese la invarianza del
             intervalo)
El espacio de Minkowski                 Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                                 Invariantes


             si A, B ∈ L2 y tienen coordenadas A = (xA , tA ), B = (xB , tB )
             en cierto sistema inercial, entonces consideramos el
             vector AB = (xB − xA , tB − tA ) = (∆x, ∆t)
             se define el módulo de AB como

                               |AB| =       ±(∆x)2     (∆t)2

             es una buena definición ya que no depende de las
             coordenadas escogidas (recuérdese la invarianza del
             intervalo)
El espacio de Minkowski                 Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                                 Invariantes


             si A, B ∈ L2 y tienen coordenadas A = (xA , tA ), B = (xB , tB )
             en cierto sistema inercial, entonces consideramos el
             vector AB = (xB − xA , tB − tA ) = (∆x, ∆t)
             se define el módulo de AB como

                               |AB| =       ±(∆x)2     (∆t)2

             es una buena definición ya que no depende de las
             coordenadas escogidas (recuérdese la invarianza del
             intervalo)
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                          Tipos de vectores



             si (∆x)2 − (∆t)2 > 0 diremos que AB es un vector
             espacial (A y B no están conectados causalmente, no
             modelan nada)
             si (∆x)2 − (∆t)2 < 0 diremos que AB es un vector
             temporal (A y B están conectados causalmente, modelan
             las trayectorias permitidas)
             si (∆x)2 − (∆t)2 = 0 diremos que AB es un vector
             luminoso (A y B están en la trayectoria de una partícula
             luminosa)
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                          Tipos de vectores



             si (∆x)2 − (∆t)2 > 0 diremos que AB es un vector
             espacial (A y B no están conectados causalmente, no
             modelan nada)
             si (∆x)2 − (∆t)2 < 0 diremos que AB es un vector
             temporal (A y B están conectados causalmente, modelan
             las trayectorias permitidas)
             si (∆x)2 − (∆t)2 = 0 diremos que AB es un vector
             luminoso (A y B están en la trayectoria de una partícula
             luminosa)
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                          Tipos de vectores



             si (∆x)2 − (∆t)2 > 0 diremos que AB es un vector
             espacial (A y B no están conectados causalmente, no
             modelan nada)
             si (∆x)2 − (∆t)2 < 0 diremos que AB es un vector
             temporal (A y B están conectados causalmente, modelan
             las trayectorias permitidas)
             si (∆x)2 − (∆t)2 = 0 diremos que AB es un vector
             luminoso (A y B están en la trayectoria de una partícula
             luminosa)
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                             Cosas curiosas



             podemos definir a partir del módulo un producto escalar en
             L2 así: si v , w son vectores entonces

                                 v , w = v1 w1 − v2 w2

             siendo (v1 , v2 ) y (w1 , w2 ) las coordenadas de v y w en un
             sistema inercial
             noción de ortogonalidad: (2, 1) ⊥ (1, 2) y (1, 1) ⊥ (1, 1)
             cambian más cosas... los ángulos, las áreas, etc.
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                             Cosas curiosas



             podemos definir a partir del módulo un producto escalar en
             L2 así: si v , w son vectores entonces

                                 v , w = v1 w1 − v2 w2

             siendo (v1 , v2 ) y (w1 , w2 ) las coordenadas de v y w en un
             sistema inercial
             noción de ortogonalidad: (2, 1) ⊥ (1, 2) y (1, 1) ⊥ (1, 1)
             cambian más cosas... los ángulos, las áreas, etc.
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                             Cosas curiosas



             podemos definir a partir del módulo un producto escalar en
             L2 así: si v , w son vectores entonces

                                 v , w = v1 w1 − v2 w2

             siendo (v1 , v2 ) y (w1 , w2 ) las coordenadas de v y w en un
             sistema inercial
             noción de ortogonalidad: (2, 1) ⊥ (1, 2) y (1, 1) ⊥ (1, 1)
             cambian más cosas... los ángulos, las áreas, etc.
El espacio de Minkowski                   Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



        En definitiva... cambian las propiedades
                         métricas

               la desigualdad triangular1 es falsa en este ambiente para
               vectores temporales: si v = (1, 2), w = (−1, 2) entonces
                                         √
                            |v | = |w| = 3 y |v + w| = 4

               por lo que |v | + |w| < |v + w|
               consecuencia: en este ambiente, y dentro de las
               trayectorias permitidas (= trayectorias temporales) las
               líneas rectas son las distancias MÁS LARGAS entre dos
               puntos
               esto no nos debería sorprender después de haber
               entendido la paradoja de los gemelos

          1
              Esto es porque la desigualdad de Cauchy-Schwarz va al revés
El espacio de Minkowski                   Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



        En definitiva... cambian las propiedades
                         métricas

               la desigualdad triangular1 es falsa en este ambiente para
               vectores temporales: si v = (1, 2), w = (−1, 2) entonces
                                         √
                            |v | = |w| = 3 y |v + w| = 4

               por lo que |v | + |w| < |v + w|
               consecuencia: en este ambiente, y dentro de las
               trayectorias permitidas (= trayectorias temporales) las
               líneas rectas son las distancias MÁS LARGAS entre dos
               puntos
               esto no nos debería sorprender después de haber
               entendido la paradoja de los gemelos

          1
              Esto es porque la desigualdad de Cauchy-Schwarz va al revés
El espacio de Minkowski                   Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



        En definitiva... cambian las propiedades
                         métricas

               la desigualdad triangular1 es falsa en este ambiente para
               vectores temporales: si v = (1, 2), w = (−1, 2) entonces
                                         √
                            |v | = |w| = 3 y |v + w| = 4

               por lo que |v | + |w| < |v + w|
               consecuencia: en este ambiente, y dentro de las
               trayectorias permitidas (= trayectorias temporales) las
               líneas rectas son las distancias MÁS LARGAS entre dos
               puntos
               esto no nos debería sorprender después de haber
               entendido la paradoja de los gemelos

          1
              Esto es porque la desigualdad de Cauchy-Schwarz va al revés
de la paradoja
 El espacio de Minkowski         Curvatura 1D   Curvatura 2D y más allá



                      Un esquema espacio-temporal
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D       Curvatura 2D y más allá



                          Definición de tiempo propio
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D       Curvatura 2D y más allá



                          Definición de tiempo propio
El espacio de Minkowski          Curvatura 1D    Curvatura 2D y más allá



                     Líneas rectas: las más largas
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                             Resumiendo...


             el plano de Minkowski L2 es un plano de toda la vida y,
             entre todos las coordenadas para ese plano (que hay
             infinitas... polares etc.) nos cogemos unas cartesianas que
             representan un sistema inercial
             a partir de éstas tenemos todas las demás con las
             transformaciones de Lorentz
             en dicho plano definimos un NOVEDOSO producto escalar
             que, en coordenadas inerciales, siempre se escribe igual:
             (+−) (lo análogo a que en coordenadas cartesianas, el
             producto escalar euclídeo se escriba siempre (++))
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                             Resumiendo...


             el plano de Minkowski L2 es un plano de toda la vida y,
             entre todos las coordenadas para ese plano (que hay
             infinitas... polares etc.) nos cogemos unas cartesianas que
             representan un sistema inercial
             a partir de éstas tenemos todas las demás con las
             transformaciones de Lorentz
             en dicho plano definimos un NOVEDOSO producto escalar
             que, en coordenadas inerciales, siempre se escribe igual:
             (+−) (lo análogo a que en coordenadas cartesianas, el
             producto escalar euclídeo se escriba siempre (++))
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                             Resumiendo...


             el plano de Minkowski L2 es un plano de toda la vida y,
             entre todos las coordenadas para ese plano (que hay
             infinitas... polares etc.) nos cogemos unas cartesianas que
             representan un sistema inercial
             a partir de éstas tenemos todas las demás con las
             transformaciones de Lorentz
             en dicho plano definimos un NOVEDOSO producto escalar
             que, en coordenadas inerciales, siempre se escribe igual:
             (+−) (lo análogo a que en coordenadas cartesianas, el
             producto escalar euclídeo se escriba siempre (++))
El espacio de Minkowski                 Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                                  Resumiendo...


             la geometría de L2 es bastante extraña... ángulos,
             distancias, áreas, ortogonalidad
             no obstante, hay algunas propiedades que se parecen
             bastante a las del plano euclídeo E2 , por ejemplo:
                          Si en el plano E2 la distancia más corta entre dos
                          puntos es la línea recta, en el plano L2 la
                          distancia más larga entre dos puntos
                          (causalmente relacionados) es la línea recta

             interesante... ¿verdad?
El espacio de Minkowski                 Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                                  Resumiendo...


             la geometría de L2 es bastante extraña... ángulos,
             distancias, áreas, ortogonalidad
             no obstante, hay algunas propiedades que se parecen
             bastante a las del plano euclídeo E2 , por ejemplo:
                          Si en el plano E2 la distancia más corta entre dos
                          puntos es la línea recta, en el plano L2 la
                          distancia más larga entre dos puntos
                          (causalmente relacionados) es la línea recta

             interesante... ¿verdad?
El espacio de Minkowski                 Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                                  Resumiendo...


             la geometría de L2 es bastante extraña... ángulos,
             distancias, áreas, ortogonalidad
             no obstante, hay algunas propiedades que se parecen
             bastante a las del plano euclídeo E2 , por ejemplo:
                          Si en el plano E2 la distancia más corta entre dos
                          puntos es la línea recta, en el plano L2 la
                          distancia más larga entre dos puntos
                          (causalmente relacionados) es la línea recta

             interesante... ¿verdad?
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Resumiendo...


             en la geometría de L2 está codificada toda la relatividad
             especial de Einstein
             a Einstein no le convencía mucho este tipo de modelos
             matemáticos... decía que oscurecía la visión física e
             intuitiva que él tenía de las cosas
             así, reaccionó con cierta indiferencia cuando este modelo
             aparece en 1908 propuesto por Hermann Minkowski...
                      [...] henceforth space by itself and time by itself
                      are doomed to fade away into mere shadows, and
                      only a kind of union of the two will preserve an
                      independent reality [...]
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Resumiendo...


             en la geometría de L2 está codificada toda la relatividad
             especial de Einstein
             a Einstein no le convencía mucho este tipo de modelos
             matemáticos... decía que oscurecía la visión física e
             intuitiva que él tenía de las cosas
             así, reaccionó con cierta indiferencia cuando este modelo
             aparece en 1908 propuesto por Hermann Minkowski...
                      [...] henceforth space by itself and time by itself
                      are doomed to fade away into mere shadows, and
                      only a kind of union of the two will preserve an
                      independent reality [...]
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Resumiendo...


             en la geometría de L2 está codificada toda la relatividad
             especial de Einstein
             a Einstein no le convencía mucho este tipo de modelos
             matemáticos... decía que oscurecía la visión física e
             intuitiva que él tenía de las cosas
             así, reaccionó con cierta indiferencia cuando este modelo
             aparece en 1908 propuesto por Hermann Minkowski...
                      [...] henceforth space by itself and time by itself
                      are doomed to fade away into mere shadows, and
                      only a kind of union of the two will preserve an
                      independent reality [...]
El espacio de Minkowski   Curvatura 1D   Curvatura 2D y más allá



        Terminamos otra vez con los gemelos...
El espacio de Minkowski      Curvatura 1D   Curvatura 2D y más allá



                          Contenidos



      1    El espacio de Minkowski


      2    Curvatura 1D


      3    Curvatura 2D y más allá
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D            Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué es la curvatura?



             Comenzamos trabajando en un mundo 1-dimensional... y
             nos preguntamos si se puede hablar de curvatura en ese
             mundo...
             Un mundo 1-dimensional es un sitio en el que sólo hay
             una dimensión para moverse; a su vez, en esa dimensión
             hay dos sentidos. Un ejemplo de mundo 1-dimensional es
             una curva
             Vamos a pensar en una curva plana – contenida en un
             plano – para simplificar nuestro trabajo
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D            Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué es la curvatura?



             Comenzamos trabajando en un mundo 1-dimensional... y
             nos preguntamos si se puede hablar de curvatura en ese
             mundo...
             Un mundo 1-dimensional es un sitio en el que sólo hay
             una dimensión para moverse; a su vez, en esa dimensión
             hay dos sentidos. Un ejemplo de mundo 1-dimensional es
             una curva
             Vamos a pensar en una curva plana – contenida en un
             plano – para simplificar nuestro trabajo
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D            Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué es la curvatura?



             Comenzamos trabajando en un mundo 1-dimensional... y
             nos preguntamos si se puede hablar de curvatura en ese
             mundo...
             Un mundo 1-dimensional es un sitio en el que sólo hay
             una dimensión para moverse; a su vez, en esa dimensión
             hay dos sentidos. Un ejemplo de mundo 1-dimensional es
             una curva
             Vamos a pensar en una curva plana – contenida en un
             plano – para simplificar nuestro trabajo
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                      Primeras nociones intuitivas


             La curva plana más elemental es, precisamente, una línea
             recta... todos convenimos en que si definimos la noción de
             curvatura, una línea recta debe tener curvatura cero: no
             tiene curvatura
             Otra curva plana elemental es la circunferencia... ésta
             parece curvarse y además su manera de hacerlo es
             idéntica en todos sus puntos por lo que si definimos la
             noción de curvatura, para una circunferencia deberá ser
             constante y no nula
             ¿qué hacemos a continuación?
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                      Primeras nociones intuitivas


             La curva plana más elemental es, precisamente, una línea
             recta... todos convenimos en que si definimos la noción de
             curvatura, una línea recta debe tener curvatura cero: no
             tiene curvatura
             Otra curva plana elemental es la circunferencia... ésta
             parece curvarse y además su manera de hacerlo es
             idéntica en todos sus puntos por lo que si definimos la
             noción de curvatura, para una circunferencia deberá ser
             constante y no nula
             ¿qué hacemos a continuación?
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                      Primeras nociones intuitivas


             La curva plana más elemental es, precisamente, una línea
             recta... todos convenimos en que si definimos la noción de
             curvatura, una línea recta debe tener curvatura cero: no
             tiene curvatura
             Otra curva plana elemental es la circunferencia... ésta
             parece curvarse y además su manera de hacerlo es
             idéntica en todos sus puntos por lo que si definimos la
             noción de curvatura, para una circunferencia deberá ser
             constante y no nula
             ¿qué hacemos a continuación?
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



     Curvatura de una curva como aceleración

             Supongamos que viajamos a través de la curva con
             velocidad constante – en módulo – e igual a 1
             (normalización)
             Si α(t) = (x(t), y (t)) donde t es el tiempo, entonces
             α (t) = (x , y ) y la aceleración cumple

                            (x , y ) = α = aα + bJ(α )

             donde a, b nos números y J es la rotación de 90 grados.
             Al ser la velocidad constante, se tiene

                              0 = ( α ,α ) = 2 α ,α

             por lo que a = 0 y la aceleración es normal viniendo dada
             por el valor de b
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



     Curvatura de una curva como aceleración

             Supongamos que viajamos a través de la curva con
             velocidad constante – en módulo – e igual a 1
             (normalización)
             Si α(t) = (x(t), y (t)) donde t es el tiempo, entonces
             α (t) = (x , y ) y la aceleración cumple

                            (x , y ) = α = aα + bJ(α )

             donde a, b nos números y J es la rotación de 90 grados.
             Al ser la velocidad constante, se tiene

                              0 = ( α ,α ) = 2 α ,α

             por lo que a = 0 y la aceleración es normal viniendo dada
             por el valor de b
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



     Curvatura de una curva como aceleración

             Supongamos que viajamos a través de la curva con
             velocidad constante – en módulo – e igual a 1
             (normalización)
             Si α(t) = (x(t), y (t)) donde t es el tiempo, entonces
             α (t) = (x , y ) y la aceleración cumple

                            (x , y ) = α = aα + bJ(α )

             donde a, b nos números y J es la rotación de 90 grados.
             Al ser la velocidad constante, se tiene

                              0 = ( α ,α ) = 2 α ,α

             por lo que a = 0 y la aceleración es normal viniendo dada
             por el valor de b
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                          Para curvas concretas...
             ...es sencillo calcular el valor de b... por ejemplo, para una
             recta se tiene que α = 0 por lo que

                                      0 = bJ(α )

             y de ahí b = 0 – que es lo natural... puesto que no hay
             aceleración
             Si la curva es una circunferencia de radio r , entonces
             α(t) = (rcos(t/r ), rsen(t/r )) y unas cuentas sencillas nos
             llevan a que
                                       b = ±1/r
             donde el signo depende del sentido en que recorramos la
             circunferencia
             Definimos la curvatura de una recta como cero y la
             curvatura de una circunferencia como el inverso de su
             radio
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                          Para curvas concretas...
             ...es sencillo calcular el valor de b... por ejemplo, para una
             recta se tiene que α = 0 por lo que

                                      0 = bJ(α )

             y de ahí b = 0 – que es lo natural... puesto que no hay
             aceleración
             Si la curva es una circunferencia de radio r , entonces
             α(t) = (rcos(t/r ), rsen(t/r )) y unas cuentas sencillas nos
             llevan a que
                                       b = ±1/r
             donde el signo depende del sentido en que recorramos la
             circunferencia
             Definimos la curvatura de una recta como cero y la
             curvatura de una circunferencia como el inverso de su
             radio
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                          Para curvas concretas...
             ...es sencillo calcular el valor de b... por ejemplo, para una
             recta se tiene que α = 0 por lo que

                                      0 = bJ(α )

             y de ahí b = 0 – que es lo natural... puesto que no hay
             aceleración
             Si la curva es una circunferencia de radio r , entonces
             α(t) = (rcos(t/r ), rsen(t/r )) y unas cuentas sencillas nos
             llevan a que
                                       b = ±1/r
             donde el signo depende del sentido en que recorramos la
             circunferencia
             Definimos la curvatura de una recta como cero y la
             curvatura de una circunferencia como el inverso de su
             radio
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                      Es una definición estupenda

             porque se comporta de la manera esperada y describe
             perfectamente lo que podemos entender por curvatura... si
             la circunferencia es más pequeña – menos radio –
             entonces está más curvada...
             además nos permite ver una recta como una
             circunferencia de radio infinito... por eso su curvatura es
             cero
             es muy operativa ya que funciona para todo tipo de
             curvas... además responde a la intuición física pues es
             precisamente la aceleración centrífuga que experimenta
             una partícula que se mueve a velocidad constante uno –
             en módulo
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                      Es una definición estupenda

             porque se comporta de la manera esperada y describe
             perfectamente lo que podemos entender por curvatura... si
             la circunferencia es más pequeña – menos radio –
             entonces está más curvada...
             además nos permite ver una recta como una
             circunferencia de radio infinito... por eso su curvatura es
             cero
             es muy operativa ya que funciona para todo tipo de
             curvas... además responde a la intuición física pues es
             precisamente la aceleración centrífuga que experimenta
             una partícula que se mueve a velocidad constante uno –
             en módulo
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                      Es una definición estupenda

             porque se comporta de la manera esperada y describe
             perfectamente lo que podemos entender por curvatura... si
             la circunferencia es más pequeña – menos radio –
             entonces está más curvada...
             además nos permite ver una recta como una
             circunferencia de radio infinito... por eso su curvatura es
             cero
             es muy operativa ya que funciona para todo tipo de
             curvas... además responde a la intuición física pues es
             precisamente la aceleración centrífuga que experimenta
             una partícula que se mueve a velocidad constante uno –
             en módulo
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                  Pero tiene un grave problema...



             ...porque no es una definición intrínseca
             ya que necesitamos ver la curva 1D en otro espacio mayor
             – el plano 2D – para que tenga sentido
             más aún... habitantes 1D de la curva jamás apreciarán la
             curvatura ya que sólo viven, sienten y padecen en una
             dimensión... para ellos no hay aceleración centrífuga ni
             cosas por el estilo... ellos no podrían apreciar la curvatura
             de su mundo si la definimos en estos términos
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                  Pero tiene un grave problema...



             ...porque no es una definición intrínseca
             ya que necesitamos ver la curva 1D en otro espacio mayor
             – el plano 2D – para que tenga sentido
             más aún... habitantes 1D de la curva jamás apreciarán la
             curvatura ya que sólo viven, sienten y padecen en una
             dimensión... para ellos no hay aceleración centrífuga ni
             cosas por el estilo... ellos no podrían apreciar la curvatura
             de su mundo si la definimos en estos términos
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                  Pero tiene un grave problema...



             ...porque no es una definición intrínseca
             ya que necesitamos ver la curva 1D en otro espacio mayor
             – el plano 2D – para que tenga sentido
             más aún... habitantes 1D de la curva jamás apreciarán la
             curvatura ya que sólo viven, sienten y padecen en una
             dimensión... para ellos no hay aceleración centrífuga ni
             cosas por el estilo... ellos no podrían apreciar la curvatura
             de su mundo si la definimos en estos términos
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                  Lo que ocurre es más radical...


             en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de
             vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en
             lo que concierne a su geometría
             ¿qué significa esto?
             que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no
             puede distinguir si vive en una recta o en una curva –
             consideraciones topológicas aparte
             ¿y entonces?
             pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo
             topología – geométricamente indistinguibles
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                  Lo que ocurre es más radical...


             en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de
             vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en
             lo que concierne a su geometría
             ¿qué significa esto?
             que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no
             puede distinguir si vive en una recta o en una curva –
             consideraciones topológicas aparte
             ¿y entonces?
             pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo
             topología – geométricamente indistinguibles
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                  Lo que ocurre es más radical...


             en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de
             vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en
             lo que concierne a su geometría
             ¿qué significa esto?
             que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no
             puede distinguir si vive en una recta o en una curva –
             consideraciones topológicas aparte
             ¿y entonces?
             pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo
             topología – geométricamente indistinguibles
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                  Lo que ocurre es más radical...


             en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de
             vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en
             lo que concierne a su geometría
             ¿qué significa esto?
             que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no
             puede distinguir si vive en una recta o en una curva –
             consideraciones topológicas aparte
             ¿y entonces?
             pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo
             topología – geométricamente indistinguibles
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                  Lo que ocurre es más radical...


             en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de
             vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en
             lo que concierne a su geometría
             ¿qué significa esto?
             que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no
             puede distinguir si vive en una recta o en una curva –
             consideraciones topológicas aparte
             ¿y entonces?
             pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo
             topología – geométricamente indistinguibles
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Conclusiones


             es posible definir la curvatura de una curva como una
             medida que coincide con la aceleración
             desde un punto de vista extrínseco es una medida
             excelente
             desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes
             del mundo 1D – es una medida imposible de obtener
             más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden
             distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para
             ellos la geometría es monótona y aburrida
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Conclusiones


             es posible definir la curvatura de una curva como una
             medida que coincide con la aceleración
             desde un punto de vista extrínseco es una medida
             excelente
             desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes
             del mundo 1D – es una medida imposible de obtener
             más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden
             distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para
             ellos la geometría es monótona y aburrida
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Conclusiones


             es posible definir la curvatura de una curva como una
             medida que coincide con la aceleración
             desde un punto de vista extrínseco es una medida
             excelente
             desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes
             del mundo 1D – es una medida imposible de obtener
             más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden
             distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para
             ellos la geometría es monótona y aburrida
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



                              Conclusiones


             es posible definir la curvatura de una curva como una
             medida que coincide con la aceleración
             desde un punto de vista extrínseco es una medida
             excelente
             desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes
             del mundo 1D – es una medida imposible de obtener
             más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden
             distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para
             ellos la geometría es monótona y aburrida
El espacio de Minkowski      Curvatura 1D   Curvatura 2D y más allá



                          Contenidos



      1    El espacio de Minkowski


      2    Curvatura 1D


      3    Curvatura 2D y más allá
El espacio de Minkowski                    Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



                             Mundos 2D: superficies




                          Figura: La superficie de un melón: elipsoide
El espacio de Minkowski                  Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                           Mundos 2D: superficies




                          Figura: La superficie de un donuts: toro
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                          Mundos 2D: superficies




      Figura: La superficie de una torre de central térmica: hiperboloide
      de una hoja
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D            Curvatura 2D y más allá



           ¿Cómo definimos la curvatura de una
                       superficie?



             la idea es apoyarse en lo que sabemos de la curvatura de
             curvas – pese a que ya hemos visto que sólo tiene sentido
             desde un punto de vista extrínseco. Esta curvatura, como
             poco, nos dice lo curvada que está una curva
             ¿cómo aprovechamos lo que sabemos de curvas?
             utilizando las secciones normales
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D            Curvatura 2D y más allá



           ¿Cómo definimos la curvatura de una
                       superficie?



             la idea es apoyarse en lo que sabemos de la curvatura de
             curvas – pese a que ya hemos visto que sólo tiene sentido
             desde un punto de vista extrínseco. Esta curvatura, como
             poco, nos dice lo curvada que está una curva
             ¿cómo aprovechamos lo que sabemos de curvas?
             utilizando las secciones normales
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D            Curvatura 2D y más allá



           ¿Cómo definimos la curvatura de una
                       superficie?



             la idea es apoyarse en lo que sabemos de la curvatura de
             curvas – pese a que ya hemos visto que sólo tiene sentido
             desde un punto de vista extrínseco. Esta curvatura, como
             poco, nos dice lo curvada que está una curva
             ¿cómo aprovechamos lo que sabemos de curvas?
             utilizando las secciones normales
El espacio de Minkowski           Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: En cada punto de una superficie podemos considerar su
      plano tangente Tp S y su dirección normal N(p)
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D                Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: La sección normal a una superficie en un punto consiste en
      tomar una dirección v en el plano tangente. A continuación, se
      considera el plano generado por v y N(p) y se interseca con la
      superficie: la curva – siempre plana – resultante es la sección normal
      en la dirección v
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: Esto mismo lo podemos hacer en todas las direcciones del
      plano tangente: tenemos así un haz de planos perpendiculares y las
      secciones normales correspondientes
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)


             una vez que tenemos todas las secciones normales, en
             cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura:
             la de la sección normal correspondiente
             tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo
             y el máximo
             llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a
             sus direcciones principales correspondientes...
             las curvaturas principales nos proporcionan información
             sobre cómo se curva la superficie en el punto
             correspondiente
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)


             una vez que tenemos todas las secciones normales, en
             cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura:
             la de la sección normal correspondiente
             tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo
             y el máximo
             llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a
             sus direcciones principales correspondientes...
             las curvaturas principales nos proporcionan información
             sobre cómo se curva la superficie en el punto
             correspondiente
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)


             una vez que tenemos todas las secciones normales, en
             cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura:
             la de la sección normal correspondiente
             tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo
             y el máximo
             llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a
             sus direcciones principales correspondientes...
             las curvaturas principales nos proporcionan información
             sobre cómo se curva la superficie en el punto
             correspondiente
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)


             una vez que tenemos todas las secciones normales, en
             cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura:
             la de la sección normal correspondiente
             tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo
             y el máximo
             llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a
             sus direcciones principales correspondientes...
             las curvaturas principales nos proporcionan información
             sobre cómo se curva la superficie en el punto
             correspondiente
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: Secciones normales en un punto del plano: todas las
      secciones son líneas rectas por lo que κ1 = κ2 = 0 (puntos planos)
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: Secciones normales en un punto de la esfera: todas ellas
      son circunferencias con el mismo radio que la esfera, por lo que
      κ1 = κ2 = 1/r (puntos elípticos)
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




       Figura: Secciones normales en el cilindro: una elipse en este caso
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: Secciones normales en el cilindro: una recta por lo que
      κ1 = 0
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D               Curvatura 2D y más allá



                Curvatura de superficies (Euler)




      Figura: Secciones normales en el cilindro: una circunferencia por lo
      que κ2 = 1/r (puntos parabólicos)
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



          Candidatos a ser la curvatura de una
                       superficie


             las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P)
             alguna de las dos
             una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura
             media:
                                       κ1 (P) + κ2 (P)
                               H(p) =
                                              2
             o el producto de ambas, la curvatura de Gauss:

                                 K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



          Candidatos a ser la curvatura de una
                       superficie


             las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P)
             alguna de las dos
             una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura
             media:
                                       κ1 (P) + κ2 (P)
                               H(p) =
                                              2
             o el producto de ambas, la curvatura de Gauss:

                                 K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



          Candidatos a ser la curvatura de una
                       superficie


             las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P)
             alguna de las dos
             una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura
             media:
                                       κ1 (P) + κ2 (P)
                               H(p) =
                                              2
             o el producto de ambas, la curvatura de Gauss:

                                 K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
El espacio de Minkowski              Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



          Candidatos a ser la curvatura de una
                       superficie


             las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P)
             alguna de las dos
             una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura
             media:
                                       κ1 (P) + κ2 (P)
                               H(p) =
                                              2
             o el producto de ambas, la curvatura de Gauss:

                                 K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



                          ¿Con cuál nos quedamos?

              las dos más importantes son la curvatura media y la
              curvatura de Gauss2
              hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de
              las dos era mejor...
              por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la
              supremacía hasta que...
              el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando
              Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es,
              sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la
              superficie con independencia de cómo ésta se vea desde
              el espacio ambiente exterior


          2
         Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está
      hecha en términos de objetos externos a la superficie
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



                          ¿Con cuál nos quedamos?

              las dos más importantes son la curvatura media y la
              curvatura de Gauss2
              hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de
              las dos era mejor...
              por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la
              supremacía hasta que...
              el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando
              Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es,
              sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la
              superficie con independencia de cómo ésta se vea desde
              el espacio ambiente exterior


          2
         Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está
      hecha en términos de objetos externos a la superficie
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



                          ¿Con cuál nos quedamos?

              las dos más importantes son la curvatura media y la
              curvatura de Gauss2
              hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de
              las dos era mejor...
              por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la
              supremacía hasta que...
              el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando
              Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es,
              sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la
              superficie con independencia de cómo ésta se vea desde
              el espacio ambiente exterior


          2
         Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está
      hecha en términos de objetos externos a la superficie
El espacio de Minkowski               Curvatura 1D                 Curvatura 2D y más allá



                          ¿Con cuál nos quedamos?

              las dos más importantes son la curvatura media y la
              curvatura de Gauss2
              hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de
              las dos era mejor...
              por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la
              supremacía hasta que...
              el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando
              Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es,
              sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la
              superficie con independencia de cómo ésta se vea desde
              el espacio ambiente exterior


          2
         Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está
      hecha en términos de objetos externos a la superficie
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué significa esto?


             la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de
             las principales – puede determinarse desde dentro
             sólo depende de las medidas que efectuemos en la
             superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la
             misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0
             en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro)
             ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación
             de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de
             Foucault, etc.
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué significa esto?


             la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de
             las principales – puede determinarse desde dentro
             sólo depende de las medidas que efectuemos en la
             superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la
             misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0
             en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro)
             ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación
             de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de
             Foucault, etc.
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué significa esto?


             la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de
             las principales – puede determinarse desde dentro
             sólo depende de las medidas que efectuemos en la
             superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la
             misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0
             en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro)
             ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación
             de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de
             Foucault, etc.
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                          ¿Qué significa esto?


             la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de
             las principales – puede determinarse desde dentro
             sólo depende de las medidas que efectuemos en la
             superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la
             misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0
             en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro)
             ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación
             de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de
             Foucault, etc.
El espacio de Minkowski                    Curvatura 1D           Curvatura 2D y más allá



                            Y lo más importante:



               la curvatura de Gauss de una superficie determina
               fuertemente la geometría de la misma
               a saber: si hay paralelas, si no las hay, cálculo de áreas,
               caminos de mínima distancia, etc.
               así, cuando Einstein necesite hablar de la curvatura del
               espacio-tiempo, deberá usar esta curvatura (la de
               Gauss)3 ... y esto es, entre otras razones, porque no tiene
               sentido salirse del espacio-tiempo para hacer medidas




          3
              De su análogo en 4-dimensiones... tela marinera
El espacio de Minkowski                    Curvatura 1D           Curvatura 2D y más allá



                            Y lo más importante:



               la curvatura de Gauss de una superficie determina
               fuertemente la geometría de la misma
               a saber: si hay paralelas, si no las hay, cálculo de áreas,
               caminos de mínima distancia, etc.
               así, cuando Einstein necesite hablar de la curvatura del
               espacio-tiempo, deberá usar esta curvatura (la de
               Gauss)3 ... y esto es, entre otras razones, porque no tiene
               sentido salirse del espacio-tiempo para hacer medidas




          3
              De su análogo en 4-dimensiones... tela marinera
El espacio de Minkowski                    Curvatura 1D           Curvatura 2D y más allá



                            Y lo más importante:



               la curvatura de Gauss de una superficie determina
               fuertemente la geometría de la misma
               a saber: si hay paralelas, si no las hay, cálculo de áreas,
               caminos de mínima distancia, etc.
               así, cuando Einstein necesite hablar de la curvatura del
               espacio-tiempo, deberá usar esta curvatura (la de
               Gauss)3 ... y esto es, entre otras razones, porque no tiene
               sentido salirse del espacio-tiempo para hacer medidas




          3
              De su análogo en 4-dimensiones... tela marinera
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D      Curvatura 2D y más allá



                          Geometría diferencial (I)
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D       Curvatura 2D y más allá



                          Geometría diferencial (II)
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                 La curvatura del espacio-tiempo

             el espacio-tiempo es un mundo de 4 dimensiones... esto
             es un problema porque nosotros sólo sabemos trabajar en
             2... pero se puede generalizar... es duro, pero se puede
             la forma de hacerlo es considerar las 2-rebanadas de
             espacio-tiempo... estas 2-rebanadas son superficies y
             teniendo información sobre la curvatura de Gauss de las
             2-rebanadas, podemos saber cómo se curva el espacio
             completo – análogo a las secciones normales
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D             Curvatura 2D y más allá



                 La curvatura del espacio-tiempo

             el espacio-tiempo es un mundo de 4 dimensiones... esto
             es un problema porque nosotros sólo sabemos trabajar en
             2... pero se puede generalizar... es duro, pero se puede
             la forma de hacerlo es considerar las 2-rebanadas de
             espacio-tiempo... estas 2-rebanadas son superficies y
             teniendo información sobre la curvatura de Gauss de las
             2-rebanadas, podemos saber cómo se curva el espacio
             completo – análogo a las secciones normales
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



          ¿Por qué es importante la curvatura?

             no perdamos la perspectiva... ¿para qué necesitamos
             nosotros la curvatura?
             pues porque la curvatura determina la geometría, las
             medidas, lo que son las líneas rectas y recordemos de
             dónde venimos – problema de sistemas pequeños en el
             principio de equivalencia – y a dónde queremos llegar –
             una formulación de las leyes físicas válidas para cualquier
             sistema
             LA CURVATURA ES LA CLAVE PARA RESOLVER LA
             RESTRICCIÓN DE SISTEMAS PEQUEÑOS EN EL
             PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA y llegar así a una
             formulación de las leyes físicas válida PARA TODOS LOS
             SISTEMAS, INERCIALES O NO
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



          ¿Por qué es importante la curvatura?

             no perdamos la perspectiva... ¿para qué necesitamos
             nosotros la curvatura?
             pues porque la curvatura determina la geometría, las
             medidas, lo que son las líneas rectas y recordemos de
             dónde venimos – problema de sistemas pequeños en el
             principio de equivalencia – y a dónde queremos llegar –
             una formulación de las leyes físicas válidas para cualquier
             sistema
             LA CURVATURA ES LA CLAVE PARA RESOLVER LA
             RESTRICCIÓN DE SISTEMAS PEQUEÑOS EN EL
             PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA y llegar así a una
             formulación de las leyes físicas válida PARA TODOS LOS
             SISTEMAS, INERCIALES O NO
El espacio de Minkowski             Curvatura 1D              Curvatura 2D y más allá



          ¿Por qué es importante la curvatura?

             no perdamos la perspectiva... ¿para qué necesitamos
             nosotros la curvatura?
             pues porque la curvatura determina la geometría, las
             medidas, lo que son las líneas rectas y recordemos de
             dónde venimos – problema de sistemas pequeños en el
             principio de equivalencia – y a dónde queremos llegar –
             una formulación de las leyes físicas válidas para cualquier
             sistema
             LA CURVATURA ES LA CLAVE PARA RESOLVER LA
             RESTRICCIÓN DE SISTEMAS PEQUEÑOS EN EL
             PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA y llegar así a una
             formulación de las leyes físicas válida PARA TODOS LOS
             SISTEMAS, INERCIALES O NO
El espacio de Minkowski           Curvatura 1D    Curvatura 2D y más allá



                          Ecuación de campo (I)
El espacio de Minkowski           Curvatura 1D     Curvatura 2D y más allá



                          Ecuación de campo (II)
El espacio de Minkowski            Curvatura 1D     Curvatura 2D y más allá



                          Ecuación de campo (III)

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Curso relatividad CPR de Cehegín: día 4

  • 1. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad José Antonio Pastor González CPR de Cehegín Lunes 14 de noviembre de 2011 La geometría del espacio-tiempo: una introducción al pensamiento de Albert Einstein
  • 2. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Contenidos 1 El espacio de Minkowski 2 Curvatura 1D 3 Curvatura 2D y más allá
  • 3. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Contenidos 1 El espacio de Minkowski 2 Curvatura 1D 3 Curvatura 2D y más allá
  • 4. El n´mero de felicitaciones por a˜o nuevo u El espacio de Minkowski n Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Aquí nos quedamos... efecto Doppler Vemos que Diana recibe 10 felicitaciones. Diana recibe s´lo una antes de llegar a α Centauro, cuando hab´ pasado 3 a˜os, just o ıan n de dar la vuelta. Las 9 restantes le llegan durante su viaje de vuelta a raz´n de una cada 1/3 a˜o (4 meses). o n
  • 5. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos con coordenadas (x, t) en este plano estamos modelando un espacio-tiempo 2-dimensional tal y como lo referencia un observador inercial arbitrario cualquier otro observador inercial – en configuración estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano que vienen dadas por los ejes habituales así pues, un universo con una única dimensión espacial y sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
  • 6. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos con coordenadas (x, t) en este plano estamos modelando un espacio-tiempo 2-dimensional tal y como lo referencia un observador inercial arbitrario cualquier otro observador inercial – en configuración estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano que vienen dadas por los ejes habituales así pues, un universo con una única dimensión espacial y sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
  • 7. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos con coordenadas (x, t) en este plano estamos modelando un espacio-tiempo 2-dimensional tal y como lo referencia un observador inercial arbitrario cualquier otro observador inercial – en configuración estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano que vienen dadas por los ejes habituales así pues, un universo con una única dimensión espacial y sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
  • 8. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial tomamos R2 como un plano afín y dos ejes cartesianos con coordenadas (x, t) en este plano estamos modelando un espacio-tiempo 2-dimensional tal y como lo referencia un observador inercial arbitrario cualquier otro observador inercial – en configuración estándar – tiene otras coordenadas (x , t ) dentro del plano que vienen dadas por los ejes habituales así pues, un universo con una única dimensión espacial y sin campos – sin gravedad p.ej. – estaría perfectamente modelado por este plano: EL PLANO DE MINKOWSKI L2
  • 9. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial si A ∈ L2 es un punto del plano, entonces A representa un suceso, un evento un mismo punto A tiene distintas coordenadas según el observador inercial que consideremos pero aunque A se lea de forma distinta según el observador, sabemos que hay cosas invariantes: el estudio de las propiedades que permanecen invariantes es muy importante porque tales propiedades no dependen del observador: serán leyes físicas válidas para cualquier sistema inercial
  • 10. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial si A ∈ L2 es un punto del plano, entonces A representa un suceso, un evento un mismo punto A tiene distintas coordenadas según el observador inercial que consideremos pero aunque A se lea de forma distinta según el observador, sabemos que hay cosas invariantes: el estudio de las propiedades que permanecen invariantes es muy importante porque tales propiedades no dependen del observador: serán leyes físicas válidas para cualquier sistema inercial
  • 11. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Las matemáticas de la relatividad especial si A ∈ L2 es un punto del plano, entonces A representa un suceso, un evento un mismo punto A tiene distintas coordenadas según el observador inercial que consideremos pero aunque A se lea de forma distinta según el observador, sabemos que hay cosas invariantes: el estudio de las propiedades que permanecen invariantes es muy importante porque tales propiedades no dependen del observador: serán leyes físicas válidas para cualquier sistema inercial
  • 12. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Invariantes si A, B ∈ L2 y tienen coordenadas A = (xA , tA ), B = (xB , tB ) en cierto sistema inercial, entonces consideramos el vector AB = (xB − xA , tB − tA ) = (∆x, ∆t) se define el módulo de AB como |AB| = ±(∆x)2 (∆t)2 es una buena definición ya que no depende de las coordenadas escogidas (recuérdese la invarianza del intervalo)
  • 13. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Invariantes si A, B ∈ L2 y tienen coordenadas A = (xA , tA ), B = (xB , tB ) en cierto sistema inercial, entonces consideramos el vector AB = (xB − xA , tB − tA ) = (∆x, ∆t) se define el módulo de AB como |AB| = ±(∆x)2 (∆t)2 es una buena definición ya que no depende de las coordenadas escogidas (recuérdese la invarianza del intervalo)
  • 14. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Invariantes si A, B ∈ L2 y tienen coordenadas A = (xA , tA ), B = (xB , tB ) en cierto sistema inercial, entonces consideramos el vector AB = (xB − xA , tB − tA ) = (∆x, ∆t) se define el módulo de AB como |AB| = ±(∆x)2 (∆t)2 es una buena definición ya que no depende de las coordenadas escogidas (recuérdese la invarianza del intervalo)
  • 15. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Tipos de vectores si (∆x)2 − (∆t)2 > 0 diremos que AB es un vector espacial (A y B no están conectados causalmente, no modelan nada) si (∆x)2 − (∆t)2 < 0 diremos que AB es un vector temporal (A y B están conectados causalmente, modelan las trayectorias permitidas) si (∆x)2 − (∆t)2 = 0 diremos que AB es un vector luminoso (A y B están en la trayectoria de una partícula luminosa)
  • 16. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Tipos de vectores si (∆x)2 − (∆t)2 > 0 diremos que AB es un vector espacial (A y B no están conectados causalmente, no modelan nada) si (∆x)2 − (∆t)2 < 0 diremos que AB es un vector temporal (A y B están conectados causalmente, modelan las trayectorias permitidas) si (∆x)2 − (∆t)2 = 0 diremos que AB es un vector luminoso (A y B están en la trayectoria de una partícula luminosa)
  • 17. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Tipos de vectores si (∆x)2 − (∆t)2 > 0 diremos que AB es un vector espacial (A y B no están conectados causalmente, no modelan nada) si (∆x)2 − (∆t)2 < 0 diremos que AB es un vector temporal (A y B están conectados causalmente, modelan las trayectorias permitidas) si (∆x)2 − (∆t)2 = 0 diremos que AB es un vector luminoso (A y B están en la trayectoria de una partícula luminosa)
  • 18. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Cosas curiosas podemos definir a partir del módulo un producto escalar en L2 así: si v , w son vectores entonces v , w = v1 w1 − v2 w2 siendo (v1 , v2 ) y (w1 , w2 ) las coordenadas de v y w en un sistema inercial noción de ortogonalidad: (2, 1) ⊥ (1, 2) y (1, 1) ⊥ (1, 1) cambian más cosas... los ángulos, las áreas, etc.
  • 19. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Cosas curiosas podemos definir a partir del módulo un producto escalar en L2 así: si v , w son vectores entonces v , w = v1 w1 − v2 w2 siendo (v1 , v2 ) y (w1 , w2 ) las coordenadas de v y w en un sistema inercial noción de ortogonalidad: (2, 1) ⊥ (1, 2) y (1, 1) ⊥ (1, 1) cambian más cosas... los ángulos, las áreas, etc.
  • 20. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Cosas curiosas podemos definir a partir del módulo un producto escalar en L2 así: si v , w son vectores entonces v , w = v1 w1 − v2 w2 siendo (v1 , v2 ) y (w1 , w2 ) las coordenadas de v y w en un sistema inercial noción de ortogonalidad: (2, 1) ⊥ (1, 2) y (1, 1) ⊥ (1, 1) cambian más cosas... los ángulos, las áreas, etc.
  • 21. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá En definitiva... cambian las propiedades métricas la desigualdad triangular1 es falsa en este ambiente para vectores temporales: si v = (1, 2), w = (−1, 2) entonces √ |v | = |w| = 3 y |v + w| = 4 por lo que |v | + |w| < |v + w| consecuencia: en este ambiente, y dentro de las trayectorias permitidas (= trayectorias temporales) las líneas rectas son las distancias MÁS LARGAS entre dos puntos esto no nos debería sorprender después de haber entendido la paradoja de los gemelos 1 Esto es porque la desigualdad de Cauchy-Schwarz va al revés
  • 22. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá En definitiva... cambian las propiedades métricas la desigualdad triangular1 es falsa en este ambiente para vectores temporales: si v = (1, 2), w = (−1, 2) entonces √ |v | = |w| = 3 y |v + w| = 4 por lo que |v | + |w| < |v + w| consecuencia: en este ambiente, y dentro de las trayectorias permitidas (= trayectorias temporales) las líneas rectas son las distancias MÁS LARGAS entre dos puntos esto no nos debería sorprender después de haber entendido la paradoja de los gemelos 1 Esto es porque la desigualdad de Cauchy-Schwarz va al revés
  • 23. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá En definitiva... cambian las propiedades métricas la desigualdad triangular1 es falsa en este ambiente para vectores temporales: si v = (1, 2), w = (−1, 2) entonces √ |v | = |w| = 3 y |v + w| = 4 por lo que |v | + |w| < |v + w| consecuencia: en este ambiente, y dentro de las trayectorias permitidas (= trayectorias temporales) las líneas rectas son las distancias MÁS LARGAS entre dos puntos esto no nos debería sorprender después de haber entendido la paradoja de los gemelos 1 Esto es porque la desigualdad de Cauchy-Schwarz va al revés
  • 24. de la paradoja El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Un esquema espacio-temporal
  • 25. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Definición de tiempo propio
  • 26. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Definición de tiempo propio
  • 27. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Líneas rectas: las más largas
  • 28. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... el plano de Minkowski L2 es un plano de toda la vida y, entre todos las coordenadas para ese plano (que hay infinitas... polares etc.) nos cogemos unas cartesianas que representan un sistema inercial a partir de éstas tenemos todas las demás con las transformaciones de Lorentz en dicho plano definimos un NOVEDOSO producto escalar que, en coordenadas inerciales, siempre se escribe igual: (+−) (lo análogo a que en coordenadas cartesianas, el producto escalar euclídeo se escriba siempre (++))
  • 29. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... el plano de Minkowski L2 es un plano de toda la vida y, entre todos las coordenadas para ese plano (que hay infinitas... polares etc.) nos cogemos unas cartesianas que representan un sistema inercial a partir de éstas tenemos todas las demás con las transformaciones de Lorentz en dicho plano definimos un NOVEDOSO producto escalar que, en coordenadas inerciales, siempre se escribe igual: (+−) (lo análogo a que en coordenadas cartesianas, el producto escalar euclídeo se escriba siempre (++))
  • 30. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... el plano de Minkowski L2 es un plano de toda la vida y, entre todos las coordenadas para ese plano (que hay infinitas... polares etc.) nos cogemos unas cartesianas que representan un sistema inercial a partir de éstas tenemos todas las demás con las transformaciones de Lorentz en dicho plano definimos un NOVEDOSO producto escalar que, en coordenadas inerciales, siempre se escribe igual: (+−) (lo análogo a que en coordenadas cartesianas, el producto escalar euclídeo se escriba siempre (++))
  • 31. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... la geometría de L2 es bastante extraña... ángulos, distancias, áreas, ortogonalidad no obstante, hay algunas propiedades que se parecen bastante a las del plano euclídeo E2 , por ejemplo: Si en el plano E2 la distancia más corta entre dos puntos es la línea recta, en el plano L2 la distancia más larga entre dos puntos (causalmente relacionados) es la línea recta interesante... ¿verdad?
  • 32. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... la geometría de L2 es bastante extraña... ángulos, distancias, áreas, ortogonalidad no obstante, hay algunas propiedades que se parecen bastante a las del plano euclídeo E2 , por ejemplo: Si en el plano E2 la distancia más corta entre dos puntos es la línea recta, en el plano L2 la distancia más larga entre dos puntos (causalmente relacionados) es la línea recta interesante... ¿verdad?
  • 33. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... la geometría de L2 es bastante extraña... ángulos, distancias, áreas, ortogonalidad no obstante, hay algunas propiedades que se parecen bastante a las del plano euclídeo E2 , por ejemplo: Si en el plano E2 la distancia más corta entre dos puntos es la línea recta, en el plano L2 la distancia más larga entre dos puntos (causalmente relacionados) es la línea recta interesante... ¿verdad?
  • 34. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... en la geometría de L2 está codificada toda la relatividad especial de Einstein a Einstein no le convencía mucho este tipo de modelos matemáticos... decía que oscurecía la visión física e intuitiva que él tenía de las cosas así, reaccionó con cierta indiferencia cuando este modelo aparece en 1908 propuesto por Hermann Minkowski... [...] henceforth space by itself and time by itself are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality [...]
  • 35. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... en la geometría de L2 está codificada toda la relatividad especial de Einstein a Einstein no le convencía mucho este tipo de modelos matemáticos... decía que oscurecía la visión física e intuitiva que él tenía de las cosas así, reaccionó con cierta indiferencia cuando este modelo aparece en 1908 propuesto por Hermann Minkowski... [...] henceforth space by itself and time by itself are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality [...]
  • 36. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Resumiendo... en la geometría de L2 está codificada toda la relatividad especial de Einstein a Einstein no le convencía mucho este tipo de modelos matemáticos... decía que oscurecía la visión física e intuitiva que él tenía de las cosas así, reaccionó con cierta indiferencia cuando este modelo aparece en 1908 propuesto por Hermann Minkowski... [...] henceforth space by itself and time by itself are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality [...]
  • 37. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Terminamos otra vez con los gemelos...
  • 38. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Contenidos 1 El espacio de Minkowski 2 Curvatura 1D 3 Curvatura 2D y más allá
  • 39. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué es la curvatura? Comenzamos trabajando en un mundo 1-dimensional... y nos preguntamos si se puede hablar de curvatura en ese mundo... Un mundo 1-dimensional es un sitio en el que sólo hay una dimensión para moverse; a su vez, en esa dimensión hay dos sentidos. Un ejemplo de mundo 1-dimensional es una curva Vamos a pensar en una curva plana – contenida en un plano – para simplificar nuestro trabajo
  • 40. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué es la curvatura? Comenzamos trabajando en un mundo 1-dimensional... y nos preguntamos si se puede hablar de curvatura en ese mundo... Un mundo 1-dimensional es un sitio en el que sólo hay una dimensión para moverse; a su vez, en esa dimensión hay dos sentidos. Un ejemplo de mundo 1-dimensional es una curva Vamos a pensar en una curva plana – contenida en un plano – para simplificar nuestro trabajo
  • 41. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué es la curvatura? Comenzamos trabajando en un mundo 1-dimensional... y nos preguntamos si se puede hablar de curvatura en ese mundo... Un mundo 1-dimensional es un sitio en el que sólo hay una dimensión para moverse; a su vez, en esa dimensión hay dos sentidos. Un ejemplo de mundo 1-dimensional es una curva Vamos a pensar en una curva plana – contenida en un plano – para simplificar nuestro trabajo
  • 42. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Primeras nociones intuitivas La curva plana más elemental es, precisamente, una línea recta... todos convenimos en que si definimos la noción de curvatura, una línea recta debe tener curvatura cero: no tiene curvatura Otra curva plana elemental es la circunferencia... ésta parece curvarse y además su manera de hacerlo es idéntica en todos sus puntos por lo que si definimos la noción de curvatura, para una circunferencia deberá ser constante y no nula ¿qué hacemos a continuación?
  • 43. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Primeras nociones intuitivas La curva plana más elemental es, precisamente, una línea recta... todos convenimos en que si definimos la noción de curvatura, una línea recta debe tener curvatura cero: no tiene curvatura Otra curva plana elemental es la circunferencia... ésta parece curvarse y además su manera de hacerlo es idéntica en todos sus puntos por lo que si definimos la noción de curvatura, para una circunferencia deberá ser constante y no nula ¿qué hacemos a continuación?
  • 44. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Primeras nociones intuitivas La curva plana más elemental es, precisamente, una línea recta... todos convenimos en que si definimos la noción de curvatura, una línea recta debe tener curvatura cero: no tiene curvatura Otra curva plana elemental es la circunferencia... ésta parece curvarse y además su manera de hacerlo es idéntica en todos sus puntos por lo que si definimos la noción de curvatura, para una circunferencia deberá ser constante y no nula ¿qué hacemos a continuación?
  • 45. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de una curva como aceleración Supongamos que viajamos a través de la curva con velocidad constante – en módulo – e igual a 1 (normalización) Si α(t) = (x(t), y (t)) donde t es el tiempo, entonces α (t) = (x , y ) y la aceleración cumple (x , y ) = α = aα + bJ(α ) donde a, b nos números y J es la rotación de 90 grados. Al ser la velocidad constante, se tiene 0 = ( α ,α ) = 2 α ,α por lo que a = 0 y la aceleración es normal viniendo dada por el valor de b
  • 46. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de una curva como aceleración Supongamos que viajamos a través de la curva con velocidad constante – en módulo – e igual a 1 (normalización) Si α(t) = (x(t), y (t)) donde t es el tiempo, entonces α (t) = (x , y ) y la aceleración cumple (x , y ) = α = aα + bJ(α ) donde a, b nos números y J es la rotación de 90 grados. Al ser la velocidad constante, se tiene 0 = ( α ,α ) = 2 α ,α por lo que a = 0 y la aceleración es normal viniendo dada por el valor de b
  • 47. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de una curva como aceleración Supongamos que viajamos a través de la curva con velocidad constante – en módulo – e igual a 1 (normalización) Si α(t) = (x(t), y (t)) donde t es el tiempo, entonces α (t) = (x , y ) y la aceleración cumple (x , y ) = α = aα + bJ(α ) donde a, b nos números y J es la rotación de 90 grados. Al ser la velocidad constante, se tiene 0 = ( α ,α ) = 2 α ,α por lo que a = 0 y la aceleración es normal viniendo dada por el valor de b
  • 48. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Para curvas concretas... ...es sencillo calcular el valor de b... por ejemplo, para una recta se tiene que α = 0 por lo que 0 = bJ(α ) y de ahí b = 0 – que es lo natural... puesto que no hay aceleración Si la curva es una circunferencia de radio r , entonces α(t) = (rcos(t/r ), rsen(t/r )) y unas cuentas sencillas nos llevan a que b = ±1/r donde el signo depende del sentido en que recorramos la circunferencia Definimos la curvatura de una recta como cero y la curvatura de una circunferencia como el inverso de su radio
  • 49. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Para curvas concretas... ...es sencillo calcular el valor de b... por ejemplo, para una recta se tiene que α = 0 por lo que 0 = bJ(α ) y de ahí b = 0 – que es lo natural... puesto que no hay aceleración Si la curva es una circunferencia de radio r , entonces α(t) = (rcos(t/r ), rsen(t/r )) y unas cuentas sencillas nos llevan a que b = ±1/r donde el signo depende del sentido en que recorramos la circunferencia Definimos la curvatura de una recta como cero y la curvatura de una circunferencia como el inverso de su radio
  • 50. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Para curvas concretas... ...es sencillo calcular el valor de b... por ejemplo, para una recta se tiene que α = 0 por lo que 0 = bJ(α ) y de ahí b = 0 – que es lo natural... puesto que no hay aceleración Si la curva es una circunferencia de radio r , entonces α(t) = (rcos(t/r ), rsen(t/r )) y unas cuentas sencillas nos llevan a que b = ±1/r donde el signo depende del sentido en que recorramos la circunferencia Definimos la curvatura de una recta como cero y la curvatura de una circunferencia como el inverso de su radio
  • 51. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Es una definición estupenda porque se comporta de la manera esperada y describe perfectamente lo que podemos entender por curvatura... si la circunferencia es más pequeña – menos radio – entonces está más curvada... además nos permite ver una recta como una circunferencia de radio infinito... por eso su curvatura es cero es muy operativa ya que funciona para todo tipo de curvas... además responde a la intuición física pues es precisamente la aceleración centrífuga que experimenta una partícula que se mueve a velocidad constante uno – en módulo
  • 52. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Es una definición estupenda porque se comporta de la manera esperada y describe perfectamente lo que podemos entender por curvatura... si la circunferencia es más pequeña – menos radio – entonces está más curvada... además nos permite ver una recta como una circunferencia de radio infinito... por eso su curvatura es cero es muy operativa ya que funciona para todo tipo de curvas... además responde a la intuición física pues es precisamente la aceleración centrífuga que experimenta una partícula que se mueve a velocidad constante uno – en módulo
  • 53. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Es una definición estupenda porque se comporta de la manera esperada y describe perfectamente lo que podemos entender por curvatura... si la circunferencia es más pequeña – menos radio – entonces está más curvada... además nos permite ver una recta como una circunferencia de radio infinito... por eso su curvatura es cero es muy operativa ya que funciona para todo tipo de curvas... además responde a la intuición física pues es precisamente la aceleración centrífuga que experimenta una partícula que se mueve a velocidad constante uno – en módulo
  • 54. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Pero tiene un grave problema... ...porque no es una definición intrínseca ya que necesitamos ver la curva 1D en otro espacio mayor – el plano 2D – para que tenga sentido más aún... habitantes 1D de la curva jamás apreciarán la curvatura ya que sólo viven, sienten y padecen en una dimensión... para ellos no hay aceleración centrífuga ni cosas por el estilo... ellos no podrían apreciar la curvatura de su mundo si la definimos en estos términos
  • 55. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Pero tiene un grave problema... ...porque no es una definición intrínseca ya que necesitamos ver la curva 1D en otro espacio mayor – el plano 2D – para que tenga sentido más aún... habitantes 1D de la curva jamás apreciarán la curvatura ya que sólo viven, sienten y padecen en una dimensión... para ellos no hay aceleración centrífuga ni cosas por el estilo... ellos no podrían apreciar la curvatura de su mundo si la definimos en estos términos
  • 56. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Pero tiene un grave problema... ...porque no es una definición intrínseca ya que necesitamos ver la curva 1D en otro espacio mayor – el plano 2D – para que tenga sentido más aún... habitantes 1D de la curva jamás apreciarán la curvatura ya que sólo viven, sienten y padecen en una dimensión... para ellos no hay aceleración centrífuga ni cosas por el estilo... ellos no podrían apreciar la curvatura de su mundo si la definimos en estos términos
  • 57. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Lo que ocurre es más radical... en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en lo que concierne a su geometría ¿qué significa esto? que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no puede distinguir si vive en una recta o en una curva – consideraciones topológicas aparte ¿y entonces? pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo topología – geométricamente indistinguibles
  • 58. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Lo que ocurre es más radical... en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en lo que concierne a su geometría ¿qué significa esto? que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no puede distinguir si vive en una recta o en una curva – consideraciones topológicas aparte ¿y entonces? pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo topología – geométricamente indistinguibles
  • 59. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Lo que ocurre es más radical... en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en lo que concierne a su geometría ¿qué significa esto? que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no puede distinguir si vive en una recta o en una curva – consideraciones topológicas aparte ¿y entonces? pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo topología – geométricamente indistinguibles
  • 60. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Lo que ocurre es más radical... en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en lo que concierne a su geometría ¿qué significa esto? que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no puede distinguir si vive en una recta o en una curva – consideraciones topológicas aparte ¿y entonces? pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo topología – geométricamente indistinguibles
  • 61. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Lo que ocurre es más radical... en realidad, lo que ocurre es que – desde un punto de vista intrínseco – todas las curvas son indistinguibles en lo que concierne a su geometría ¿qué significa esto? que un habitante 1D haciendo medidas en su mundo no puede distinguir si vive en una recta o en una curva – consideraciones topológicas aparte ¿y entonces? pues que todos los mundos 1D son – desde dentro y salvo topología – geométricamente indistinguibles
  • 62. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Conclusiones es posible definir la curvatura de una curva como una medida que coincide con la aceleración desde un punto de vista extrínseco es una medida excelente desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes del mundo 1D – es una medida imposible de obtener más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para ellos la geometría es monótona y aburrida
  • 63. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Conclusiones es posible definir la curvatura de una curva como una medida que coincide con la aceleración desde un punto de vista extrínseco es una medida excelente desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes del mundo 1D – es una medida imposible de obtener más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para ellos la geometría es monótona y aburrida
  • 64. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Conclusiones es posible definir la curvatura de una curva como una medida que coincide con la aceleración desde un punto de vista extrínseco es una medida excelente desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes del mundo 1D – es una medida imposible de obtener más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para ellos la geometría es monótona y aburrida
  • 65. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Conclusiones es posible definir la curvatura de una curva como una medida que coincide con la aceleración desde un punto de vista extrínseco es una medida excelente desde un punto de vista intrínseco – el de los habitantes del mundo 1D – es una medida imposible de obtener más aún: los habitantes de un mundo 1D no pueden distinguir si viven en un mundo 1D curvo o recto... para ellos la geometría es monótona y aburrida
  • 66. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Contenidos 1 El espacio de Minkowski 2 Curvatura 1D 3 Curvatura 2D y más allá
  • 67. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Mundos 2D: superficies Figura: La superficie de un melón: elipsoide
  • 68. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Mundos 2D: superficies Figura: La superficie de un donuts: toro
  • 69. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Mundos 2D: superficies Figura: La superficie de una torre de central térmica: hiperboloide de una hoja
  • 70. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Cómo definimos la curvatura de una superficie? la idea es apoyarse en lo que sabemos de la curvatura de curvas – pese a que ya hemos visto que sólo tiene sentido desde un punto de vista extrínseco. Esta curvatura, como poco, nos dice lo curvada que está una curva ¿cómo aprovechamos lo que sabemos de curvas? utilizando las secciones normales
  • 71. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Cómo definimos la curvatura de una superficie? la idea es apoyarse en lo que sabemos de la curvatura de curvas – pese a que ya hemos visto que sólo tiene sentido desde un punto de vista extrínseco. Esta curvatura, como poco, nos dice lo curvada que está una curva ¿cómo aprovechamos lo que sabemos de curvas? utilizando las secciones normales
  • 72. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Cómo definimos la curvatura de una superficie? la idea es apoyarse en lo que sabemos de la curvatura de curvas – pese a que ya hemos visto que sólo tiene sentido desde un punto de vista extrínseco. Esta curvatura, como poco, nos dice lo curvada que está una curva ¿cómo aprovechamos lo que sabemos de curvas? utilizando las secciones normales
  • 73. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: En cada punto de una superficie podemos considerar su plano tangente Tp S y su dirección normal N(p)
  • 74. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: La sección normal a una superficie en un punto consiste en tomar una dirección v en el plano tangente. A continuación, se considera el plano generado por v y N(p) y se interseca con la superficie: la curva – siempre plana – resultante es la sección normal en la dirección v
  • 75. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: Esto mismo lo podemos hacer en todas las direcciones del plano tangente: tenemos así un haz de planos perpendiculares y las secciones normales correspondientes
  • 76. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) una vez que tenemos todas las secciones normales, en cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura: la de la sección normal correspondiente tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo y el máximo llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a sus direcciones principales correspondientes... las curvaturas principales nos proporcionan información sobre cómo se curva la superficie en el punto correspondiente
  • 77. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) una vez que tenemos todas las secciones normales, en cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura: la de la sección normal correspondiente tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo y el máximo llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a sus direcciones principales correspondientes... las curvaturas principales nos proporcionan información sobre cómo se curva la superficie en el punto correspondiente
  • 78. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) una vez que tenemos todas las secciones normales, en cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura: la de la sección normal correspondiente tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo y el máximo llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a sus direcciones principales correspondientes... las curvaturas principales nos proporcionan información sobre cómo se curva la superficie en el punto correspondiente
  • 79. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) una vez que tenemos todas las secciones normales, en cada dirección del plano tangente tenemos una curvatura: la de la sección normal correspondiente tomamos los valores extremos de estos valores: el mínimo y el máximo llegamos así a las curvaturas principales κ1 (p) y κ2 (p) y a sus direcciones principales correspondientes... las curvaturas principales nos proporcionan información sobre cómo se curva la superficie en el punto correspondiente
  • 80. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: Secciones normales en un punto del plano: todas las secciones son líneas rectas por lo que κ1 = κ2 = 0 (puntos planos)
  • 81. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: Secciones normales en un punto de la esfera: todas ellas son circunferencias con el mismo radio que la esfera, por lo que κ1 = κ2 = 1/r (puntos elípticos)
  • 82. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: Secciones normales en el cilindro: una elipse en este caso
  • 83. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: Secciones normales en el cilindro: una recta por lo que κ1 = 0
  • 84. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Curvatura de superficies (Euler) Figura: Secciones normales en el cilindro: una circunferencia por lo que κ2 = 1/r (puntos parabólicos)
  • 85. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Candidatos a ser la curvatura de una superficie las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P) alguna de las dos una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura media: κ1 (P) + κ2 (P) H(p) = 2 o el producto de ambas, la curvatura de Gauss: K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
  • 86. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Candidatos a ser la curvatura de una superficie las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P) alguna de las dos una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura media: κ1 (P) + κ2 (P) H(p) = 2 o el producto de ambas, la curvatura de Gauss: K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
  • 87. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Candidatos a ser la curvatura de una superficie las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P) alguna de las dos una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura media: κ1 (P) + κ2 (P) H(p) = 2 o el producto de ambas, la curvatura de Gauss: K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
  • 88. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Candidatos a ser la curvatura de una superficie las dos curvaturas principales κ1 (P) y κ2 (P) alguna de las dos una combinación de ellas... por ejemplo la curvatura media: κ1 (P) + κ2 (P) H(p) = 2 o el producto de ambas, la curvatura de Gauss: K (p) = κ1 (P)κ2 (P)
  • 89. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Con cuál nos quedamos? las dos más importantes son la curvatura media y la curvatura de Gauss2 hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de las dos era mejor... por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la supremacía hasta que... el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es, sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la superficie con independencia de cómo ésta se vea desde el espacio ambiente exterior 2 Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está hecha en términos de objetos externos a la superficie
  • 90. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Con cuál nos quedamos? las dos más importantes son la curvatura media y la curvatura de Gauss2 hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de las dos era mejor... por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la supremacía hasta que... el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es, sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la superficie con independencia de cómo ésta se vea desde el espacio ambiente exterior 2 Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está hecha en términos de objetos externos a la superficie
  • 91. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Con cuál nos quedamos? las dos más importantes son la curvatura media y la curvatura de Gauss2 hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de las dos era mejor... por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la supremacía hasta que... el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es, sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la superficie con independencia de cómo ésta se vea desde el espacio ambiente exterior 2 Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está hecha en términos de objetos externos a la superficie
  • 92. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Con cuál nos quedamos? las dos más importantes son la curvatura media y la curvatura de Gauss2 hubieron más de 100 años de controversia sobre cuál de las dos era mejor... por la fórmula de Laplace parecía que H se llevaba la supremacía hasta que... el dilema se resolvió en el primer tercio del s.XVIII cuando Gauss demuestra que su curvatura es intrínseca, esto es, sólo depende de medidas que efectuemos dentro de la superficie con independencia de cómo ésta se vea desde el espacio ambiente exterior 2 Notemos que ambas son, a priori, extrínsecas, ya que su definición está hecha en términos de objetos externos a la superficie
  • 93. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué significa esto? la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de las principales – puede determinarse desde dentro sólo depende de las medidas que efectuemos en la superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0 en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro) ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de Foucault, etc.
  • 94. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué significa esto? la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de las principales – puede determinarse desde dentro sólo depende de las medidas que efectuemos en la superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0 en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro) ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de Foucault, etc.
  • 95. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué significa esto? la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de las principales – puede determinarse desde dentro sólo depende de las medidas que efectuemos en la superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0 en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro) ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de Foucault, etc.
  • 96. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Qué significa esto? la curvatura de Gauss de una superficie – el producto de las principales – puede determinarse desde dentro sólo depende de las medidas que efectuemos en la superficie, por ejemplo, el cilindro y el plano tienen la misma curvatura de Gauss K (K ≡ 0) y distinta H (H ≡ 0 en el plano y H ≡ 1/2r en el cilindro) ¿qué medidas? triángulos, áreas y perímetros, separación de trayectorias inicialmente paralelas, péndulos de Foucault, etc.
  • 97. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Y lo más importante: la curvatura de Gauss de una superficie determina fuertemente la geometría de la misma a saber: si hay paralelas, si no las hay, cálculo de áreas, caminos de mínima distancia, etc. así, cuando Einstein necesite hablar de la curvatura del espacio-tiempo, deberá usar esta curvatura (la de Gauss)3 ... y esto es, entre otras razones, porque no tiene sentido salirse del espacio-tiempo para hacer medidas 3 De su análogo en 4-dimensiones... tela marinera
  • 98. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Y lo más importante: la curvatura de Gauss de una superficie determina fuertemente la geometría de la misma a saber: si hay paralelas, si no las hay, cálculo de áreas, caminos de mínima distancia, etc. así, cuando Einstein necesite hablar de la curvatura del espacio-tiempo, deberá usar esta curvatura (la de Gauss)3 ... y esto es, entre otras razones, porque no tiene sentido salirse del espacio-tiempo para hacer medidas 3 De su análogo en 4-dimensiones... tela marinera
  • 99. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Y lo más importante: la curvatura de Gauss de una superficie determina fuertemente la geometría de la misma a saber: si hay paralelas, si no las hay, cálculo de áreas, caminos de mínima distancia, etc. así, cuando Einstein necesite hablar de la curvatura del espacio-tiempo, deberá usar esta curvatura (la de Gauss)3 ... y esto es, entre otras razones, porque no tiene sentido salirse del espacio-tiempo para hacer medidas 3 De su análogo en 4-dimensiones... tela marinera
  • 100. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Geometría diferencial (I)
  • 101. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Geometría diferencial (II)
  • 102. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá La curvatura del espacio-tiempo el espacio-tiempo es un mundo de 4 dimensiones... esto es un problema porque nosotros sólo sabemos trabajar en 2... pero se puede generalizar... es duro, pero se puede la forma de hacerlo es considerar las 2-rebanadas de espacio-tiempo... estas 2-rebanadas son superficies y teniendo información sobre la curvatura de Gauss de las 2-rebanadas, podemos saber cómo se curva el espacio completo – análogo a las secciones normales
  • 103. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá La curvatura del espacio-tiempo el espacio-tiempo es un mundo de 4 dimensiones... esto es un problema porque nosotros sólo sabemos trabajar en 2... pero se puede generalizar... es duro, pero se puede la forma de hacerlo es considerar las 2-rebanadas de espacio-tiempo... estas 2-rebanadas son superficies y teniendo información sobre la curvatura de Gauss de las 2-rebanadas, podemos saber cómo se curva el espacio completo – análogo a las secciones normales
  • 104. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Por qué es importante la curvatura? no perdamos la perspectiva... ¿para qué necesitamos nosotros la curvatura? pues porque la curvatura determina la geometría, las medidas, lo que son las líneas rectas y recordemos de dónde venimos – problema de sistemas pequeños en el principio de equivalencia – y a dónde queremos llegar – una formulación de las leyes físicas válidas para cualquier sistema LA CURVATURA ES LA CLAVE PARA RESOLVER LA RESTRICCIÓN DE SISTEMAS PEQUEÑOS EN EL PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA y llegar así a una formulación de las leyes físicas válida PARA TODOS LOS SISTEMAS, INERCIALES O NO
  • 105. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Por qué es importante la curvatura? no perdamos la perspectiva... ¿para qué necesitamos nosotros la curvatura? pues porque la curvatura determina la geometría, las medidas, lo que son las líneas rectas y recordemos de dónde venimos – problema de sistemas pequeños en el principio de equivalencia – y a dónde queremos llegar – una formulación de las leyes físicas válidas para cualquier sistema LA CURVATURA ES LA CLAVE PARA RESOLVER LA RESTRICCIÓN DE SISTEMAS PEQUEÑOS EN EL PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA y llegar así a una formulación de las leyes físicas válida PARA TODOS LOS SISTEMAS, INERCIALES O NO
  • 106. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá ¿Por qué es importante la curvatura? no perdamos la perspectiva... ¿para qué necesitamos nosotros la curvatura? pues porque la curvatura determina la geometría, las medidas, lo que son las líneas rectas y recordemos de dónde venimos – problema de sistemas pequeños en el principio de equivalencia – y a dónde queremos llegar – una formulación de las leyes físicas válidas para cualquier sistema LA CURVATURA ES LA CLAVE PARA RESOLVER LA RESTRICCIÓN DE SISTEMAS PEQUEÑOS EN EL PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA y llegar así a una formulación de las leyes físicas válida PARA TODOS LOS SISTEMAS, INERCIALES O NO
  • 107. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Ecuación de campo (I)
  • 108. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Ecuación de campo (II)
  • 109. El espacio de Minkowski Curvatura 1D Curvatura 2D y más allá Ecuación de campo (III)