desvelando tema03
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Desvelando el Universo
Del microcosmos
almacrocosmos
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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
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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
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FÍSICA CLÁSICA
Las limitaciones de la Física Clásica
Velocidades pequeñas v << c
Tamaños grandes
Campos gravitatorios débiles
Relatividad Especial
Física Cuántica
Relatividad General
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1 m
Escala humana
Un paseo por el microcosmos
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0.1 m = 10 cm
106
Tamaño típico de un hoja
o una mano
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106
0.01 m = 1 cm
Tamaño típico de
un insecto
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0.001 m = 1 milímetro
Tamaño típico del ojo de un
insecto
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0,000.1 m = 0.1 milímetros
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0,000.01 m = 10 micras
Tamaño típico de
un linfocito
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0,000.001 m = 1 micra
Tamaño típico de un
cromosoma
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0,000.000.1 m =0.1 micras
Detalle de un cromosoma
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0,000.000.01 m = 100 angstrom
Tamaño típico del grosor
de una molécula de DNA
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0,000.000.001 m = 10 angstrom = 1 nanómetro
Tamaño típico de una
molécula
Escala de la nanotecnología
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0,000.000.000.1 m = 1 angstrom
Tamaño típico de un
átomo
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0,000.000.000.01 m = 0,1 angstrom
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0,000.000.000.001 m = 1 picómetro
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0,000.000.000.000.1 m = 0,1 picómetro
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0,000.000.000.000.01 m = 10 fermi
Tamaño típico de un
núcleo atómico
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0,000.000.000.000.001 m = 1 fermi
Tamaño típico de un
nucleón
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0,000.000.000.000.000.1 m = 0,1 fermi
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Mecánica de NewtonMateria
(partículas)
Electromagnetismo de Maxwell
Luz (ondas)
La Física Clásica: materia y luz
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El electromagnetismo de Maxwell
- Describe los campos eléctricos y magnéticos producidos por cargas y
corrientes.
- Predice la existencia de ondas electromagnéticas
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Ondas: propiedades
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Ondas electromagnéticas: espectro
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Ondas electromagnéticas: espectro
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Ondas: interferencia
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Ondas: interferencia
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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
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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
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Luz y materia: ¿ondas o partículas?
Materia
Luz
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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
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Planck
La radiación del cuerpo negro: Planck (1900)
Cuantos de energía
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Einstein
El efecto fotoeléctrico: Einstein (1905)
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Bohr
El modelo atómico de Bohr (1916)
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Bohr
El modelo atómico de Bohr (1916)
Ondas de materia: de Broglie
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El modelo atómico de Bohr
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http://www.youtube.com/watch?v=atYFsSksGa0&feature=fvwrel
El experimento de la doble rendija
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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
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La ecuación de Schrödinger (1925)
E. Schrödinger
Toda la información sobre el sistema físico estácontenida en la función de onda
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¡La posición de la partícula está esencialmente indeterminada!
La interpretación probabilística de la Mecánica Cuántica
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Trayectoria clásica
Función de onda
cuántica
Mecánica Clásica vs. Mecánica Cuántica
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El principio de indeterminación de Heisenberg (1927)
W. Heisenberg
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Partícula en una caja: función de onda
![Page 47: Desvelando tema03](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062319/558a7f67d8b42ad9638b46ed/html5/thumbnails/47.jpg)
El efecto túnel
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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
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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
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El gato de Schrödinger: múltiples universos
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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
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Relatividad y Mecánica Cuántica
Equivalencia masa-energía
Principio de indeterminación
El vacío está poblado de
pares partícula-antipartícula que
se crean y aniquilan continuamente
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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