Mecanica Cuantica.pdf
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- Words: 1,213
- Pages: 21
Del megapársec al fermi: una panorámica de la física
Antonio González Fernández Dpto. de Física Aplicada III Universidad de Sevilla
¿De qué va la física?
“La física es lo que hacen los físicos”. Niels Bohr La física no describe el Universo: lo modela
A partir de la evidencia, de construye un modelo El modelo debe ser matemático Se hacen predicciones y se examinan experimentalmente Un experimento nunca demuestra una teoría, pero puede rechazarla
© 2003, A. G. F.
2
Trazando el mapa Ciencias Humanas
Biología Bioquímica Química Física atómica Física
Ingeniería
Matemáticas
Psicología
© 2003, A. G. F.
3
Uniendo fuerzas
Todo el universo se describe en términos de interacciones: Electricidad Magnetismo Nuclear débil Nuclear fuerte
Gravedad
Electromagnetismo Electrodébil T.G.U. ???
Quizás puedan explicarse todos los fenómenos como la acción de una sola fuerza © 2003, A. G. F.
4
Mirando a lo lejos 1Gpc ~ 1025 m: Gravedad La cosmología trata del Universo como un todo
Principio cosmológico: El universo es más o menos igual en todas direcciones
Cosmología
Se basa en la solución de las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad General
Modelos del Universo: Estacionario En expansión Cerrados Abiertos
© 2003, A. G. F.
5
Contando hacia atrás 1Gpc ~ 1025 m: Gravedad Desplazamiento hacia el rojo (efecto Doppler) Las galaxias se alejan de nosotros, más cuanto más lejos están v=Hr
Retrocediendo en el tiempo se llega al Big Bang: el comienzo del Universo
Cosmología
Ley de Hubble
¿Cuando ocurrió? ¿De donde salió el universo? ¿Hubo un antes del Big Bang? ¿Cómo acabará el Universo? © 2003, A. G. F.
6
Espirales en rotación 10 kpc ~ 1021 m: Gravedad La mayor parte de la masa visible forma galaxias.
En los límites del Universo vemos los quásars: objetos más brillantes que 100 galaxias juntas. Podrían ser galaxias con un agujero negro en su centro
Cosmología
¿Cuándo y como se formaron? ¿Cómo se explica su rotación? ¿Existe materia invisible en las galaxias?
© 2003, A. G. F.
7
La nave de Newton
Mecánica celeste
100 U.A. ~ 1013 m: Gravedad
La estructura del Sistema Solar se explica por las leyes de Newton, obtenidas a partir de las medidas directas de Brahe y los cálculos de Kepler
Las mismas leyes se emplean a la hora de trazar la trayectoria de un satélite interplanetario © 2003, A. G. F.
8
La llama imperecedera 109 m: Gravedad-ElectromagnetismoFuerzas nucleares ¿Cuál es la edad del Sol?¿De donde sale su energía? Combustión: 4000 años
Reacciones nucleares, (H⇒ He): 4.5×109 años
Astrofísica
Caída gravitatoria: 20 millones de años
La gravedad tiende a concentrar toda la masa Las fuerzas electromagnéticas resisten la presión en el Sol Para una masa mayor, no es posible y la estrella implota formando una estrella de neutrones Para masas muy grandes, la gravedad es irresistible y se forman agujeros negros
© 2003, A. G. F.
9
Una larga vida
Astrofísica
109 m: Gravedad-ElectromagnetismoFuerzas nucleares
Las estrellas evolucionan a medida que los distintos combustibles se van agotando. El Sol se encuentra en la mitad de su vida. Dentro de 5000 millones de años se apagará (pero antes devorará todos los planetas interiores).
Una estrella muy masiva puede explotar formando una supernova (única forma de producir átomos © 2003, A. G. F. pesados).
10
La mariposa y el huracán
El edtudio de la dinámica atmosférica une Mécánica de fluidos Gravedad Termodinámica
El conjunto de variables y ecuaciones imposibilita la solución exacta. Los mayores ordenadores civiles se emplean en meteorología para predicciones de hasta cinco días
Geofísica Meteorología
106 m: Gravedad-Electromagnetismo
© 2003, A. G. F.
11
dx/dt = -10x +10y dy/dt = 28x - y – xz dz/dt = -8z/3 + x y Sistema de Lorenz
Sistemas dinámicos
Atractor de Lorenz
Orden en el caos
Un sistema sencillo puede ser impredecible: Requiere un cononcimiento perfecto del sistema Al pasar el tiempo, se pierde información Pueden estudiarse algunas propiedades Es de importancia en: Dinámica de sistemas Teoría de control Problemas mecánicos Terrestres Celestes
© 2003, A. G. F.
12
El sueño de leonardo 102 m: Gravedad-Electromagnetismo
El estudio de la propulsión requiere mecánica, termodinámica y química
Los mismos principios explican el efecto de un balón.
Mecánica de fluidos
El estudio del movimiento de un objeto en el aire combina la mecánica de Newton con la mecánica de fluidos.
© 2003, A. G. F.
13
Un espectro a nuestro alrededor 1 m: Electromagnetismo
Electromagnetismo
Las ondas E.M. son esenciales en telecomunicaciones. Las ondas se clasifican por su longitud. La Óptica estudia una banda muy estrecha
Pueden ser: No ionizantes Ionizantes con efectos diferentes
Las radiaciones de baja frecuencia (líneas de A.T.) no producen efectos conocidos.
© 2003, A. G. F.
14
Pistas y capas 10-6 m: Electromagnetismo El diseño de circuitos combina Teoría de circuitos Electromagnetismo Lógica
Mecánica cuántica Física de cristales Nuevos materiales
Electrónica
Cristales de arseniuro de galio
Física del estado sólido
© 2003, A. G. F.
15
Diseñando compuestos
La combinación de física, química e ingeniería es esencial en el desarrollo de nuevos compuestos: Aleaciones Pegamentos superresistentes Aceites Semiconductores Superconductores ...
Ciencia de materiales
Buckminsterfullereno
10-8 m: Electromagnetismo
© 2003, A. G. F.
16
Desliando la espiral 10-8 m: Electromagnetismo
Otras técnicas son: Microscopía electrónica Microscopía por fuerza atómica Microscopía por efecto túnel Existe un límite teórico al alcance de los microscopios (principio de incertidumbre)
Microscopía
La estructura del ADN fue deducida a partir de imágenes de difracción de rayos X
© 2003, A. G. F.
17
Ladrillos de la materia 10-10 m: Electromagnetismo
Los fenómenos cuánticos son incomprensibles en términos clásicos: Saltos de energía Dualidad onda-partícula Efecto túnel Espín
Los átomos se interpretan en términos de orbitales y
probabilidad
Física atómica
El estudio del átomo condujo a la mecánica cuántica
© 2003, A. G. F.
18
En el centro del átomo 10-15 m: Fuerzas nucleares
Los núcleos muy grandes son inestables: radioactividad natural La desintegración puede provocarse.
Los núcleos pequeños pueden unirse (fusión), liberando energía (origen de la energía solar).
La física nuclear permite entender las estrellas de
neutrones
Física nuclear
Para vencer la repulsión eléctrica se necesita una fuerza más intensa: la nuclear fuerte
© 2003, A. G. F.
19
Un zoológico particular Además de protones, neutrones y electrones existen otras partículas de corta vida. Para producirlas y detectarlas se emplean los
aceleradores de partículas.
Requieren: Grandes instalaciones Campos magnéticos intensos Bajas temperaturas Alta precisión
Física de altas energías
10-15 m: Electromagnetismo - F. Nucleares
© 2003, A. G. F.
20
Los protones están compuestos de quarks, cada uno de los cuales puede tener tres “colores”
El modelo estándar Toda la materia es la combinación de 12 partículas. Todas las fuerzas emplean 4 ó 5 partículas No incluye la gravedad
Física de partículas
¿Final del trayecto?
¿De qué están hechos los quarks?
¿Y los electrones? ¿Existen partículas que los compongan a ambos? ¿Cómo se comporta el vacío cuántico? ¿Qué efecto tiene la gravedad sobre las partículas?
© 2003, A. G. F.
21
Antonio González Fernández Dpto. de Física Aplicada III Universidad de Sevilla
¿De qué va la física?
“La física es lo que hacen los físicos”. Niels Bohr La física no describe el Universo: lo modela
A partir de la evidencia, de construye un modelo El modelo debe ser matemático Se hacen predicciones y se examinan experimentalmente Un experimento nunca demuestra una teoría, pero puede rechazarla
© 2003, A. G. F.
2
Trazando el mapa Ciencias Humanas
Biología Bioquímica Química Física atómica Física
Ingeniería
Matemáticas
Psicología
© 2003, A. G. F.
3
Uniendo fuerzas
Todo el universo se describe en términos de interacciones: Electricidad Magnetismo Nuclear débil Nuclear fuerte
Gravedad
Electromagnetismo Electrodébil T.G.U. ???
Quizás puedan explicarse todos los fenómenos como la acción de una sola fuerza © 2003, A. G. F.
4
Mirando a lo lejos 1Gpc ~ 1025 m: Gravedad La cosmología trata del Universo como un todo
Principio cosmológico: El universo es más o menos igual en todas direcciones
Cosmología
Se basa en la solución de las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad General
Modelos del Universo: Estacionario En expansión Cerrados Abiertos
© 2003, A. G. F.
5
Contando hacia atrás 1Gpc ~ 1025 m: Gravedad Desplazamiento hacia el rojo (efecto Doppler) Las galaxias se alejan de nosotros, más cuanto más lejos están v=Hr
Retrocediendo en el tiempo se llega al Big Bang: el comienzo del Universo
Cosmología
Ley de Hubble
¿Cuando ocurrió? ¿De donde salió el universo? ¿Hubo un antes del Big Bang? ¿Cómo acabará el Universo? © 2003, A. G. F.
6
Espirales en rotación 10 kpc ~ 1021 m: Gravedad La mayor parte de la masa visible forma galaxias.
En los límites del Universo vemos los quásars: objetos más brillantes que 100 galaxias juntas. Podrían ser galaxias con un agujero negro en su centro
Cosmología
¿Cuándo y como se formaron? ¿Cómo se explica su rotación? ¿Existe materia invisible en las galaxias?
© 2003, A. G. F.
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La nave de Newton
Mecánica celeste
100 U.A. ~ 1013 m: Gravedad
La estructura del Sistema Solar se explica por las leyes de Newton, obtenidas a partir de las medidas directas de Brahe y los cálculos de Kepler
Las mismas leyes se emplean a la hora de trazar la trayectoria de un satélite interplanetario © 2003, A. G. F.
8
La llama imperecedera 109 m: Gravedad-ElectromagnetismoFuerzas nucleares ¿Cuál es la edad del Sol?¿De donde sale su energía? Combustión: 4000 años
Reacciones nucleares, (H⇒ He): 4.5×109 años
Astrofísica
Caída gravitatoria: 20 millones de años
La gravedad tiende a concentrar toda la masa Las fuerzas electromagnéticas resisten la presión en el Sol Para una masa mayor, no es posible y la estrella implota formando una estrella de neutrones Para masas muy grandes, la gravedad es irresistible y se forman agujeros negros
© 2003, A. G. F.
9
Una larga vida
Astrofísica
109 m: Gravedad-ElectromagnetismoFuerzas nucleares
Las estrellas evolucionan a medida que los distintos combustibles se van agotando. El Sol se encuentra en la mitad de su vida. Dentro de 5000 millones de años se apagará (pero antes devorará todos los planetas interiores).
Una estrella muy masiva puede explotar formando una supernova (única forma de producir átomos © 2003, A. G. F. pesados).
10
La mariposa y el huracán
El edtudio de la dinámica atmosférica une Mécánica de fluidos Gravedad Termodinámica
El conjunto de variables y ecuaciones imposibilita la solución exacta. Los mayores ordenadores civiles se emplean en meteorología para predicciones de hasta cinco días
Geofísica Meteorología
106 m: Gravedad-Electromagnetismo
© 2003, A. G. F.
11
dx/dt = -10x +10y dy/dt = 28x - y – xz dz/dt = -8z/3 + x y Sistema de Lorenz
Sistemas dinámicos
Atractor de Lorenz
Orden en el caos
Un sistema sencillo puede ser impredecible: Requiere un cononcimiento perfecto del sistema Al pasar el tiempo, se pierde información Pueden estudiarse algunas propiedades Es de importancia en: Dinámica de sistemas Teoría de control Problemas mecánicos Terrestres Celestes
© 2003, A. G. F.
12
El sueño de leonardo 102 m: Gravedad-Electromagnetismo
El estudio de la propulsión requiere mecánica, termodinámica y química
Los mismos principios explican el efecto de un balón.
Mecánica de fluidos
El estudio del movimiento de un objeto en el aire combina la mecánica de Newton con la mecánica de fluidos.
© 2003, A. G. F.
13
Un espectro a nuestro alrededor 1 m: Electromagnetismo
Electromagnetismo
Las ondas E.M. son esenciales en telecomunicaciones. Las ondas se clasifican por su longitud. La Óptica estudia una banda muy estrecha
Pueden ser: No ionizantes Ionizantes con efectos diferentes
Las radiaciones de baja frecuencia (líneas de A.T.) no producen efectos conocidos.
© 2003, A. G. F.
14
Pistas y capas 10-6 m: Electromagnetismo El diseño de circuitos combina Teoría de circuitos Electromagnetismo Lógica
Mecánica cuántica Física de cristales Nuevos materiales
Electrónica
Cristales de arseniuro de galio
Física del estado sólido
© 2003, A. G. F.
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Diseñando compuestos
La combinación de física, química e ingeniería es esencial en el desarrollo de nuevos compuestos: Aleaciones Pegamentos superresistentes Aceites Semiconductores Superconductores ...
Ciencia de materiales
Buckminsterfullereno
10-8 m: Electromagnetismo
© 2003, A. G. F.
16
Desliando la espiral 10-8 m: Electromagnetismo
Otras técnicas son: Microscopía electrónica Microscopía por fuerza atómica Microscopía por efecto túnel Existe un límite teórico al alcance de los microscopios (principio de incertidumbre)
Microscopía
La estructura del ADN fue deducida a partir de imágenes de difracción de rayos X
© 2003, A. G. F.
17
Ladrillos de la materia 10-10 m: Electromagnetismo
Los fenómenos cuánticos son incomprensibles en términos clásicos: Saltos de energía Dualidad onda-partícula Efecto túnel Espín
Los átomos se interpretan en términos de orbitales y
probabilidad
Física atómica
El estudio del átomo condujo a la mecánica cuántica
© 2003, A. G. F.
18
En el centro del átomo 10-15 m: Fuerzas nucleares
Los núcleos muy grandes son inestables: radioactividad natural La desintegración puede provocarse.
Los núcleos pequeños pueden unirse (fusión), liberando energía (origen de la energía solar).
La física nuclear permite entender las estrellas de
neutrones
Física nuclear
Para vencer la repulsión eléctrica se necesita una fuerza más intensa: la nuclear fuerte
© 2003, A. G. F.
19
Un zoológico particular Además de protones, neutrones y electrones existen otras partículas de corta vida. Para producirlas y detectarlas se emplean los
aceleradores de partículas.
Requieren: Grandes instalaciones Campos magnéticos intensos Bajas temperaturas Alta precisión
Física de altas energías
10-15 m: Electromagnetismo - F. Nucleares
© 2003, A. G. F.
20
Los protones están compuestos de quarks, cada uno de los cuales puede tener tres “colores”
El modelo estándar Toda la materia es la combinación de 12 partículas. Todas las fuerzas emplean 4 ó 5 partículas No incluye la gravedad
Física de partículas
¿Final del trayecto?
¿De qué están hechos los quarks?
¿Y los electrones? ¿Existen partículas que los compongan a ambos? ¿Cómo se comporta el vacío cuántico? ¿Qué efecto tiene la gravedad sobre las partículas?
© 2003, A. G. F.
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