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Desvelando el Universo
Del microcosmos
almacrocosmos
Antonio López MarotoDepartamento de Física Teórica I
Tema 3: Física Cuántica
(20 de marzo de 2012)
Desvelando el Universo (del microcosmos al macrocosmos)
UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES
Tema 0: IntroducciónTema 1: La visión del mundo previa al siglo XXTema 2: Relatividad EspecialTema 3: Física CuánticaTema 4: Gravitación y CosmologíaTema 5: Física atómica y nuclearTema 6: Física de partículasActividad Complementaria: “El mundo de las partículas y los aceleradores”Tema 7: Historia de la Astronomía y Astronomía básicaTema 8: Los instrumentos del astrónomoTema 9: El trabajo del astrónomo profesionalTema 10: El Sistema SolarActividad Complementaria: “Visita al Observatorio UCMTema 11: Las estrellasTema 12: El medio interestelar y la Vía LácteaTema 13: Las galaxiasTema 14: Cosmología observacional
PROGRAMACurso 2012
FÍSICA CLÁSICA
Las limitaciones de la Física Clásica
Velocidades pequeñas v << c
Tamaños grandes
Campos gravitatorios débiles
Relatividad Especial
Física Cuántica
Relatividad General
1 m
Escala humana
Un paseo por el microcosmos
0.1 m = 10 cm
106
Tamaño típico de un hoja
o una mano
106
0.01 m = 1 cm
Tamaño típico de
un insecto
0.001 m = 1 milímetro
Tamaño típico del ojo de un
insecto
0,000.1 m = 0.1 milímetros
0,000.01 m = 10 micras
Tamaño típico de
un linfocito
0,000.001 m = 1 micra
Tamaño típico de un
cromosoma
0,000.000.1 m =0.1 micras
Detalle de un cromosoma
0,000.000.01 m = 100 angstrom
Tamaño típico del grosor
de una molécula de DNA
0,000.000.001 m = 10 angstrom = 1 nanómetro
Tamaño típico de una
molécula
Escala de la nanotecnología
0,000.000.000.1 m = 1 angstrom
Tamaño típico de un
átomo
0,000.000.000.01 m = 0,1 angstrom
0,000.000.000.001 m = 1 picómetro
0,000.000.000.000.1 m = 0,1 picómetro
0,000.000.000.000.01 m = 10 fermi
Tamaño típico de un
núcleo atómico
0,000.000.000.000.001 m = 1 fermi
Tamaño típico de un
nucleón
0,000.000.000.000.000.1 m = 0,1 fermi
Mecánica de NewtonMateria
(partículas)
Electromagnetismo de Maxwell
Luz (ondas)
La Física Clásica: materia y luz
El electromagnetismo de Maxwell
- Describe los campos eléctricos y magnéticos producidos por cargas y
corrientes.
- Predice la existencia de ondas electromagnéticas
Ondas: propiedades
Ondas electromagnéticas: espectro
Ondas electromagnéticas: espectro
Ondas: interferencia
Ondas: interferencia
Newton y Maxwell enunciaron de forma matemática precisa las leyes de la mecánica clásica, el electromagnetismo y la
gravitación.
Esta leyes permitían predecir el movimiento de los cuerpos, y la evolución de los campos electromagnéticos de forma
causal y determinista.
El determinismo de la Física Clásica
Este hecho llevó a Laplace a afirmar que si una mente superior conociera exactamente las posiciones y velocidades de todas las partículas que constituyen el Universo, y tuviera una capacidad de cálculo suficiente, podría alcanzar a saber con toda precisión cada detalle de la evolución futura del Universo.
El determinismo de la Física Clásica
Luz y materia: ¿ondas o partículas?
Materia
Luz
a) Propiedades corpusculares de la radiación
b) Propiedades ondulatorias de la materia
c) Principio de indeterminación de Heisenberg
d) Interpretación probabilística de la función de onda
e) Relatividad y teoría cuántica: el vacío cuántico
a) Propiedades corpusculares de la radiación
b) Propiedades ondulatorias de la materia
c) Principio de indeterminación de Heisenberg
d) Interpretación probabilística de la función de onda
e) Relatividad y teoría cuántica: el vacío cuántico
Bohr DiracHeisenbergPlanck Schrödinger
La Mecánica Cuántica
Planck
La radiación del cuerpo negro: Planck (1900)
Cuantos de energía
Einstein
El efecto fotoeléctrico: Einstein (1905)
Bohr
El modelo atómico de Bohr (1916)
Bohr
El modelo atómico de Bohr (1916)
Ondas de materia: de Broglie
El modelo atómico de Bohr
http://www.youtube.com/watch?v=atYFsSksGa0&feature=fvwrel
El experimento de la doble rendija
Según la mecánica cuántica no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como
ondas y viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)
La dualidad onda-partícula
La ecuación de Schrödinger (1925)
E. Schrödinger
Toda la información sobre el sistema físico estácontenida en la función de onda
¡La posición de la partícula está esencialmente indeterminada!
La interpretación probabilística de la Mecánica Cuántica
Trayectoria clásica
Función de onda
cuántica
Mecánica Clásica vs. Mecánica Cuántica
El principio de indeterminación de Heisenberg (1927)
W. Heisenberg
Partícula en una caja: función de onda
El efecto túnel
Solamente existen soluciones para valores discretos de la energía y del momento angular
n = 0, 1, 2, 3... l = s, p, d, f
Átomo de hidrógeno: función de onda
El gato de Schrödinger
Mientras la caja no se abra (si no se realiza una
medida), el gato permanece en un estado superposición de vivo y
muerto
Sólo cuando se abre la caja (se realiza la medida),
el sistema decide si el gato está vivo o muerto
El gato de Schrödinger: múltiples universos
Dios no juega a los dados con el Universo (Albert Einstein)
"Tú crees en un Dios que juega a los dados y yo creo en una ley y un orden completos en un mundo que existe objetivamente”
A. EinsteinM. Born
Relatividad y Mecánica Cuántica
Equivalencia masa-energía
Principio de indeterminación
El vacío está poblado de
pares partícula-antipartícula que
se crean y aniquilan continuamente
Física Cuántica: conclusiones
La energía y otras magnitudes físicas están cuantizadas
A pequeñas escalas no hay diferencias fundamentales
entre partículas y ondas. Las partículas pueden
comportarse como ondas y viceversa
Existe una limitación fundamental a la información que
podemos conocer de la Naturaleza: principio de
incertidumbre
Las magnitudes físicas sólo pueden determinarse
probabilísticamente
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