Principio de Equivalencia de EinsteinConocimiento Científico del universo

Docente: Hugo Gutiérrez

Facultad: Ciencias Sociales y Humanidades

Especialidad: S1 Historia

Integrantes de grupo:

López Quispe Miguel Ángel De la Portilla José Manuel Gómez Zanabria José Luis

“Hay dos cosas infinitas: el Universo y la estupidez humana. Y del Universo no estoy seguro.”

Albert Einstein

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Dedicado con mucho aprecio a nuestro profesor y a todas aquellas personas que hacen de su vida una gran aventura.

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ÍNDICE

INTRODUCCION ………………………………………………….……………… 03

I  Formulaciones del principio de equivalencia

o 1.1 Principio de Equivalencia Débil……………….…….………,,05

o 1.2 Principio de Equivalencia de Einstein ………….….…….,,,07

II Consecuencias del principio de equivalencia

o 2.1 Movimiento a lo largo de geodésicas ……………………….,10

o 2.2 Anulación del campo gravitatorio…………………………..,,,11

o 2.3 Predicciones de la Relatividad General  ………………………11

Conclusiones……………………………………….………………………………………16

Bibliografía………………………………….………………………………………………17

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INTRODUCCIÓN

El principio de equivalencia es el principio físico de la relatividad general y de varias otras teorías métricas de la gravedad. El principio afirma que: "un sistema inmerso en un campo gravitatorio es puntualmente indistinguible de un sistema de referencia no inercial acelerado". Así fijado un determinado acontecimiento instantáneo de naturaleza puntual p (un evento o suceso) en el seno de un campo gravitatorio puede ser descrito por un observador acelerado situado en ese punto, como moviéndose libremente. Es decir, existe cierto observador acelerado que no tiene forma de distinguir si las partículas se mueven o no dentro de un campo gravitatorio.

Por ejemplo: si caemos tras una piedra desde un acantilado, la veremos descender con velocidad constante, exactamente igual que si no existiera el campo gravitatorio que nos hace caer. Lo mismo les ocurre a los astronautas en torno a su nave, donde les parece que todo flota como si no cayera hacia la Tierra siguiendo su órbita.

Este principio fue utilizado por Einstein para intuir que la trayectoria de las partículas en caída libre en el seno de un campo gravitatorio depende únicamente de la estructura métrica de su entorno inmediato o, lo que es igual, del comportamiento de los metros y los relojes patrones en torno suyo.

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Albert Einstein(Alemania, 14 de marzo de 1879 - Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955)

Albert Einstein; fue un físico alemán de origen judío, nacionalizado después suizo y estadounidense. Es

considerado como el científico más importante del siglo XX. Manuel Alfonseca cuantifica la importancia de 1000 científicos de todos los tiempos y, en una escala de 1 a 8, Einstein y Freud son los únicos del siglo XX en alcanzar la máxima puntuación; asimismo califica a Einstein como «el científico más popular y conocido del siglo XX»

En 1905, cuando era un joven físico desconocido, empleado en la Oficina de Patentes de Berna, publicó su teoría de la relatividad especial. En ella incorporó, en un marco teórico simple fundamentado en postulados físicos sencillos, conceptos y fenómenos estudiados antes por Henri Poincaré y por Hendrik Lorentz. Como una consecuencia lógica de esta teoría, dedujo la ecuación de la física más conocida a nivel popular: la equivalencia masa-energía, E=mc². Ese año publicó otros trabajos que sentarían bases para la física estadística y la mecánica cuántica.

En 1915 presentó la teoría de la relatividad general, en la que reformuló por completo el concepto de gravedad. Una de las consecuencias fue el surgimiento del estudio científico del origen y la evolución del Universo por la rama de la física denominada cosmología. En 1919, cuando las observaciones británicas de un eclipse solar confirmaron sus predicciones acerca de la curvatura de la luz, fue idolatrado por la prensa.4 Einstein se convirtió en un icono popular de la ciencia mundialmente famoso, un privilegio al alcance de muy pocos científicos.

Por sus explicaciones sobre el efecto fotoeléctrico y sus numerosas contribuciones a la física teórica, en 1921 obtuvo el Premio Nobel de Física y no por la Teoría de la

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Relatividad, pues el científico a quien se encomendó la tarea de evaluarla, no la entendió, y temieron correr el riesgo de que luego se demostrase errónea. En esa época era aún considerada un tanto controvertida.

Aunque es considerado por algunos como el «padre de la bomba atómica», abogó por el federalismo mundial, el internacionalismo, el pacifismo, el sionismo y el socialismo democrático, con una fuerte devoción por la libertad individual y la libertad de expresión. Fue proclamado como el «personaje del siglo XX» y el más preeminente científico por la revista Time.

I Formulaciones del Principio de Equivalencia

1.1 Principio de Equivalencia Débil

El principio de equivalencia débil, también conocida como la universalidad de la caída libre o el principio de equivalencia galileo puede afirmar de muchas maneras. El EP incluye fuertes cuerpos con la energía de enlace gravitacional. El EP débil asume caída de los cuerpos están unidos por fuerzas no gravitacionales solamente. De cualquier manera,

La trayectoria de un punto de masa en un campo gravitatorio depende sólo de su posición inicial y la velocidad, y es independiente de su composición y estructura. Todas las partículas de prueba en el punto de igual espacio-tiempo en un campo gravitatorio dado serán sometidas a la misma aceleración, independiente de sus propiedades, incluyendo su masa en reposo. Todos los centros locales de caída libre al vacío en masa a lo largo de trayectorias idénticas medidas mínimas independientes de todas las propiedades observables. La línea de universo vacío de un cuerpo sumergido en un campo gravitatorio es independiente de todas las propiedades observables. Los efectos locales de movimiento en un espacio curvo son indistinguibles de las de un observador acelerado en el espacio plano, sin excepción. Masa y peso son a nivel local en relación idéntica para todos los cuerpos.

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Localidad elimina las fuerzas de marea cuantificables procedentes de un campo gravitatorio divergentes radial sobre los cuerpos físicos de tamaño finito. La "caída" principio de equivalencia abarca Galileo, Newton y Einstein de conceptualización. El principio de equivalencia no niega la existencia de efectos mensurables causados por una masa gravitatoria giratorios, o un oso en las mediciones de la desviación de la luz y el tiempo de retardo de gravedad de los observadores no locales.

La masa gravitacional pasiva debe ser proporcional a la masa gravitacional activa para todos los objetos.

El parámetro adimensional ETV es la diferencia de las proporciones de masas gravitacionales e inerciales, dividido por el promedio de los dos grupos de masas de prueba "A" y "B"

Las pruebas del principio de equivalencia débil

Las pruebas del principio de equivalencia débil son las que verifique la equivalencia entre masa gravitacional y la masa inercial. Una prueba evidente está cayendo dos objetos contrastados en alto vacío, por ejemplo, en el interior Fallturm Bremen.

Los experimentos están siendo realizados en la Universidad de Washington que han puesto límites a la aceleración diferencial de los objetos hacia la Tierra, el Sol y hacia la materia oscura en el centro de la galaxia. Experimentos futuros satélites - STEP, Galileo Galilei, y MICROSCOPIO - pondrá a prueba el principio de equivalencia débil en el espacio, a mucha mayor precisión.

La necesidad de seguir probando la teoría de la gravitación de Einstein puede parecer superflua, ya que la teoría es elegante y es compatible con las observaciones. Sin embargo, no se conoce la teoría cuántica de la gravedad, y la mayoría de las sugerencias viola uno de los principios de equivalencia en algún nivel. La Teoría de Cuerdas, supergravedad y hasta quinta esencia, por ejemplo, parecen violar el principio de equivalencia débil, ya que contienen muchos campos escalares de luz con longitudes de onda de Compton. Estos campos deben generar quinto fuerzas y la variación de las

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constantes fundamentales. Hay una serie de mecanismos que se han propuesto por los físicos para reducir estas violaciónes del principio de equivalencia a niveles inferiores observables.

1.2 Principio de Equivalencia de Einstein

La idea base del Principio de Equivalencia de la Relatividad General es la equiparación entre aceleración y gravedad.Este Principio de Equivalencia, incorporado por la Relatividad General en 1916, sirvió a las teorías de Albert Einstein para justificar una segunda relatividad del tiempo independiente de la definida por la Relatividad Especial.

En otras palabras, los efectos sobre el tiempo y el espacio de la velocidad en la Teoría de la Relatividad Especial (RE) de Einstein se extienden al campo gravitatorio en la Teoría General de la Relatividad (RG)

La forma en que interactúa la gravedad con el espacio es mediante la deformación del mismo, se trata del conocido efecto geométrico de la curvatura del espacio-tiempo. Ahora ya no es suficiente con una geometría del espacio de cuatro dimensiones (como la geometría de Minkowsky de la RE) sino que es necesario curvar los propios ejes de esa geometría matemática para recoger el efecto de la gravedad sobre el espacio-tiempo o viceversa en la teoría de Einstein de 1916.

El refugio mágico.  

Da la impresión de que la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein se utiliza para intentar cuadrar experimentos que no encajaban bien con la Relatividad Especial. Algo así como el famoso cajón de sastre de los desastres.

Seguramente esta segunda teoría recoge los problemas y críticas recibidas en los diez años que la separan de la primera teoría de Einstein.

Esto me recuerda un capítulo de la serie Friends en el que una de las protagonistas se encuentra con un viejo amigo que hace ocho años que no ve, porque ha estado en

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Ginebra trabajando con un experimento de Física de Partículas. Al preguntarle qué tal le va, éste le responde: "He cambiado de proyecto porque al final me he convencido de que lo que estaba intentando hacer era imposible".

Por ejemplo, siempre se puede argumentar que uno se encuentra en un sistema no inercial e invocar la teoría de Einstein de 1916, todos los sistemas en alguna medida lo son, lo que ocurre es que en muchos casos la pérdida de precisión de la información por suponer que es inercial es manejable o despreciable, o que los resultados acompañen por otras casualidades despistantes.

No solo se recurre a la Teoría de la Relatividad General o segunda teoría de Einstein cuando un experimento tiene problemas sino cuando la RE entra en contradicciones insalvables, como en la paradoja de los gemelos. Por más que leo la solución que ofrece la magia de la relatividad no la entiendo: ¿Por qué no es la Tierra la que sufre aceleraciones y desaceleraciones en lugar de la nave espacial desde un punto de vista relativista puro? ¿Acaso la Relatividad General viene a decir justo lo contrario que la RE al crear sistemas preferentes por la gravedad?

Supongo que a todos nos suena eso de que es equivalente tener una aceleración constante que encontrarse fijo sometido a un campo gravitatorio, ésta es la idea básica del Principio de Equivalencia de la teoría de Albert Einstein.

Dicho Principio de Equivalencia supone una simplificación de la realidad al concentrarse en aspectos concretos de la misma, olvidándose de otros aspectos energéticos con posibles efectos análogos a los que explica o intenta explicar la relatividad del tiempo de la teoría de Einstein, pero muy diferentes conceptualmente hablando; entre los que se pueden comentar los siguientes:

Hay que precisar que el Principio de Equivalencia de la teoría de Einstein es cierto única y parcialmente desde el

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punto de vista de la fuerza de atracción o empuje. Por ejemplo, desde el punto de vista del movimiento, aceleración y gravedad no son lo mismo; un cuerpo acelerado se mueve y uno en un campo de gravedad no.

Desde el punto de vista energético, también habría que hablar de equivalencias entre gravedad y presión, pensemos en la gravedad de los puntos centrales de una estrella, en realidad podría ser cero si la suma de componentes gravitatorios se anulase, sin embargo...

La conocida equivalencia entre velocidad y temperatura. Ver el experimento del Reloj Invisible en el libro en línea de Experimentos de Física.

Un aspecto bastante negativo de la teoría de Einstein es que se limita a incorporar principios en lugar de ofrecer explicaciones de las causas físicas de los fenómenos observados.

En los libros de la Mecánica Global y la Dinámica Global se expone la teoría del todo sobre la materia y la gravedad. Los efectos del Principio de Equivalencia de la teoría de Einstein se explican de forma alternativa por la interrelación de la masa con la estructura reticular de la gravedad o globina. En un caso por el movimiento de la masa a través de la globina y, en otro, por la variación de la tensión que ejerce la globina sobre la masa con las variaciones en la intensidad del campo de gravedad.

El Principio de Equivalencia de la teoría de Einstein plantea los efectos de la gravedad sobre la masa y la energía, logrando explicar las famosas predicciones de la Relatividad General. Entre los más famosos se pueden citar los del efecto lentes gravitacionales de las estrellas sobre la luz, la precesión del perihelio de Mercurio y el corrimiento al rojo gravitacional.

En el libro en línea de la Dinámica Global se expone una explicación física de estos mismos fenómenos naturales bajo un nuevo paradigma físico que no curva el tiempo ni el espacio, ni nada parecido.

Si los experimentos o predicciones de la Relatividad General se pueden explicar sin la curvatura del espacio-tiempo entonces la Relatividad Especial pierde gran parte de su apoyo empírico.

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Si además la nueva teoría del todo, alternativa a las teorías de Einstein, explica por qué los relojes atómicos se alteran con la velocidad y la gravedad sin dilatar el tiempo, entonces parece que las teorías de Einstein son incorrectas. ¡Después de tantas comprobaciones empíricas!

En términos generales, no es que la Relatividad General de Einstein no sea la teoría más acertada o que su aproximación a la realidad no sea la más simple y, en ocasiones, dicha aproximación se haya conseguido únicamente formalmente al cambiar las definiciones de segundo y metro en 1967, sino que la teoría de Einstein es incorrecta.

Es decir, a pesar de sus aciertos formales, contiene errores que son detectables experimentalmente por ser independientes de las convenciones formales citadas, como el arrastre de la luz por el campo de gravedad a través del nuevo experimento del Lejano Michelson - Morley también propuesto por la teoría de todo la Teoría de la Equivalencia Global en el libro en línea de Experimentos de Física.

II Consecuencias del principio de equivalencia

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2.1 Movimiento a lo largo de geodésicas

La Relatividad general, como teoría física de interacción que es, se compone de dos partes. La primera permite calcular, mediante la ecuación de Einstein, la curvatura del espacio-tiempo a partir de una distribución de energía. La segunda determina el movimiento de una masa prueba en un espacio-tiempo curvo, y es la ecuación de la geodésica.

El Principio de Equivalencia afirma que en un sistema de referencia en caída libre se anulan los efectos de la gravedad, y la física que allí se mida es coherente con la Relatividad especial. Desarrollando matemáticamente este enunciado se concluye que la trayectoria de una masa en un campo gravitatorio es una geodésica en el espacio-tiempo.

De este modo, se podría decir que el Principio de Equivalencia, junto con el Principio de relatividad especial son los únicos principios físicos sobre los que se apoya la Relatividad general, ya que la ecuación de Einstein no está basada en ningún principio, sino que está deducida de una manera heurística.

2.2 Anulación del campo gravitatorio

El principio de equivalencia establece la existencia de un sistema acelerado donde puntualmente el campo gravitatorio no se detecta, es decir, es puntualmente nulo. Ese sistema acelerado precisamente aquel en el que los símbolos de Christoffel de la métrica se anulan. Es decir, ese sistema de coordenadas donde el campo gravitatorio es puntualmente indetectable en el puntop, satisface que:

El hecho anterior junto con el hecho de que el lagrangiano debe ser un escalar físico independiente del sistema de referencia escogido, que el lagrangiano del campo gravitatorio no puede formarse exclusivamente a partir del tensor métrico y los

símbolos de Christoffel , puesto que entonces debido a que este es nulo para el sistema de coordenadas considerado anteriormente, la variación sería idénticamente nula para todos los observadores, lo cual no tiene sentido físico.

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2.3 Predicciones de la Relatividad General 

Las predicciones de la teoría de Einstein de la Relatividad General no son predicciones en sentido estricto. Por lo menos, la más espectacular, la de la precesión del perihelio de Mercurio o desvío del eje mayor de la órbita del planeta era un fenómeno conocido con anterioridad, aunque no estuviese explicado. También era sospechado que la trayectoria de la luz se curvaba al pasar cerca de las estrellas, el problema era la cuantificación del fenómeno.

Es innegable que Einstein tenía una gran intuición de la realidad física y un especial dominio de las matemáticas. No obstante, el hecho de seguir por la vía de la relatividad del tiempo en lugar de buscar soluciones más inteligibles me induce a pensar que no consiguió una visión de conjunto y que sus ecuaciones de campo podrían haber sido diseñadas ad hoc para lograr explicar la curvatura de la luz y la precesión del perihelio de Mercurio.

Las tres predicciones de la Relatividad General se deducen de sus ecuaciones de campo, siendo su desarrollo concreto demasiado complicado para los objetivos de esta exposición. La exposición será muy superficial y limitada a las partes más conocidas de la teoría de Einstein sin entrar en la complicación matemática que la caracteriza o las nuevas teorías futuristas que se basan en ella.

Los aspectos matemáticos complican el razonamiento lógico y no tiene por qué haber errores conceptuales si se suprimen y se entienden implícitamente incluidos en los razonamientos. No son más que puras matemáticas, y así nos ahorramos las tensiones en el cerebro por no necesitar más conceptos asimilados.

En el libro en línea de la Dinámica Global se expone una explicación alternativa, con similar precisión y comparativamente mucho más simple de las tres predicciones de la Relatividad General bajo un nuevo paradigma que mantiene la geometría euclidiana y el tiempo absoluto.

Las tres predicciones más importantes de la teoría de Einstein de la Relatividad General son las siguientes:

La curvatura doble de la luz, efecto lupa o de lentes gravitacionales.

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Albert Einstein señaló primero que la luz se desviaba al pasar junto a cuerpos masivos en la misma proporción o ángulo que indicaba la teoría de la gravedad de Newtonpara los planetas y luego corrigió a una cantidad que justamente era el doble de la anterior.

La única explicación conocida para dicho cambio es puramente matemática al provenir de las ecuaciones de campo de la teoría de Einstein. Una pena que no se indagara en las causas físicas, pues en dicha diferencia cuantitativa subyace una de las claves más notables del paradigma de la nueva Teoría de la Equivalencia Global.

Lentes gravitacionales Doble anillo de Einstein

NASA (Imagen de dominio público)

Después de varios intentos fallidos por diversas causas, con el eclipse del Sol de 1919 se comprobó empíricamente que las predicciones de la teoría de Einstein en este sentido eran correctas.

La precesión del perihelio de Mercurio.

Sin duda, esta explicación es la estrella más brillante del universo: una desviación de 43'' segundo de arco cada 100 años en el eje de la órbita del planeta Mercurio. LaTeoría de la Relatividad General la explica con un error tan pequeño que no deja margen a dudas razonables sobre la corrección de la misma.

La precesión del perihelio de Mercurio se cuantifica por la teoría de Einstein de la Relatividad General en:

Si en esta fórmula cambiásemos el 6 por 2π la precesión del perihelio de Mercurio nos daría la fórmula propuesta por la Teoría de la Equivalencia Global en el libro en línea de

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la Dinámica Global, con lo cual, ya tendríamos dos teorías contradictorias sin margen de dudas no razonables.

La Teoría General de la Relatividad de Einstein se ajusta perfectamente a las observaciones porque, de hecho, está otorgando doble efecto gravitatorio a la energía cinética a través de sus ecuaciones de campo; pero el efecto adicional en lugar de aplicarlo a la masa global como fuerza de gravedad lo se efectúa vía distorsión del espacio.

La artificialidad de la teoría de Einstein se debe a la imposibilidad del reconocimiento de las verdaderas leyes de la gravedad, por su incondicional insistencia en el principio de igualdad entre masa inercial y masa gravitatoria, desconociendo e ignorando la naturaleza material de la masa física. En definitiva, en lugar de avanzar en la comprensión de las características de la masa, lo que provocó la Teoría de la Relatividad General fue una total desnaturalización de la fuerza de gravedad.

Corrimiento al rojo gravitacional.

El famoso corrimiento al rojo gravitacional (o al azul) de la luz implica una menor frecuencia (o mayor) y, por lo tanto, menor o mayor energía, y se produce cuando las ondas electromagnéticas se alejan o se acercan del centro de un campo gravitacional.

En el libro en línea de la Dinámica Global se explica por qué este corrimiento es el mismo efecto energético que el de la curvatura de la luz.

No se debe confundir el corrimiento al rojo gravitacional con el desplazamiento al rojo con el efecto Doppler relativista que se podría presentar por las velocidades relativas entre emisor y receptor o el corrimiento al rojo cosmológico aun no explicado satisfactoriamente en su integridad.

El efecto Doppler relativista siempre me ha extrañado mucho, por un lado se dice que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores y por otro que existe un efecto Doppler relativista o corrimiento al rojo relativista.

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Desde luego, es cierto que se produce este efecto Doppler relativista, tanto si es el emisor o el receptor de la onda el que se encuentra en movimiento. Y los cálculos de la Teoría de la Relatividad General ofrecen resultados satisfactorios.

La falta de sentido semántico viene porque normalmente está prohibido tomar como observador relativista a la propia luz. De ahí que su análisis resulte con poco fundamento lógico y se tenga que recurrir a las consabidas dilataciones temporales.

Aunque al mismo tiempo el efecto Doppler relativista se justifica como un intercambio energético, se hace como consecuencia de la dilatación temporal en lugar de la razón correcta que es la equivalencia energética debida al movimiento relativo euclidiano.

A pesar de que matemáticamente la teoría de Einstein de la Relatividad General sea correcta, no se debe admitir una complicación tan enorme y artificial de la realidad física sin buscar alternativas más razonables de acuerdo con la navaja de Occam. A mi juicio, se podría deber a una desviación personal en cuanto a una exacerbada tendencia a complicar artificialmente los temas con los objetivos normales de dificultar el plagio, entorpecer la crítica y realzar los logros personales y, finalmente, ser víctima de la propia manera de actuar.

CONCLUSIONES

Galileo Galilei creía que todos los graves, con total independencia de cuales puedan ser

sus masas correspondientes o cualquier otro inimaginable parámetro, caen a un mismo

ritmo en un campo gravitatorio. Si una hoja de papel y una bola de acero presentan

diferentes aceleraciones de caída libre con respecto a la tierra, ello no es debido a la sola

acción de la gravedad, sino a que la primera ofrece más resistencia al aire que la segunda.

Para estudiar la acción propia de la gravedad sobre los graves hay que prescindir de

cualquier posible efecto colateral que no le sea propio. De tal modo que, toda vez que ya

haya sido excluido lo que a la gravedad le es del todo impropio y que como a tal no le

pertenece, y si de paso se ha conseguido eliminar por completo la resistencia que el aire

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ofrece a los graves y cualquier otro posible indeseable efecto colateral, todos los graves

obedecerán, sin apenas dudarlo y con total independencia de cuales puedan ser sus

correspondientes masas o cualquier otro parámetro inimaginable, las irrebatibles tesis de

Galileo sobre el movimiento equivalente de los graves, a saber: “todos los graves caen con

la misma aceleración con respecto a la tierra”.

La idea base del Principio de Equivalencia de la Relatividad General es la equiparación

entre aceleración y gravedad. Este Principio de Equivalencia, incorporado por

la Relatividad General en 1916, sirvió a las teorías de Albert Einstein para justificar una

segunda relatividad del tiempo independiente de la definida por la Relatividad Especial.

En definitiva, tenemos dos teorías científicas incompatibles, la Relatividad General y

la Teoría de la Equivalencia Global que explican las famosas tres predicciones. Sólo me

falta escuchar que lo bueno será el punto medio, no, no..., por favor, no, ¡nunca! El

teorema del punto medio se puede entender como un hecho normal, ¡Pero nunca como

un argumento científico!

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Bibliografía

Einstein y el Principio de Equivalencia Leonardo Fernández- Jambrina Leonardo. Fernández upm.es ETSI Navales Universidad Politécnica de Madrid.

Física de juguetes y dispositivos sencillos. Principio de Equivalencia de Einstein J. Güémez Departamento de Física Aplicada Universidad de Cantabria Septiembre 25, 2007

Pablo Cajero Vázquez, José Antonio Aguilar Sánchez, Ricardo García Salcedo El principio de Equivalencia y la Mecánica Cuántica Ciencia Ergo Sum, vol. 13, núm. 3, noviembre-febrero, 2006, pp. 265-270,Universidad Autónoma del Estado de México

Sobre el Principio de Equivalencia de la Relatividad General - Carlos s. chinea, Marchena, enero 2006 1 sobre el principio de equivalencia de la relatividad general