La fsica posterior a Newton

De la fsica clssica a la mecnica quntica

Tothom que pensi que pot parlar sobre la teoria quntica sense marejar-se, ni tan sols ha comenat a entendre-la.Niels Bohr

1

La Fsica clssicaLa Fsica clssica s la fsica fins al segle XIX.La fsica moderna es desenvolupa a partir de les primeres dcades del segle XX i consta de dues teories, la relativitat i la mecnica quntica.La descripci de la fsica clssica s suficient sempre que les velocitats involucrades siguin molt menors que la de la llum (en cas contrari sha dutilitzar la teoria de la relativitat) i sempre que les escales utilitzades siguin molt ms grans que les atmiques (si no s aix sha de recrrer a la mecnica quntica).

Per qu s tan important Newton?Les tres lleis de Kepler descriuen el moviment dels planetes, per no els expliquen. Lexplicaci dIsaac Newton de les lleis de Kepler representa el punt culminant de la revoluci cientfica. Newton ens va explicar perqu lunivers funciona tal com ho fa i aix s una de les fites ms notables del pensament occidental. I s part de la nostra herncia cultural, de la mateixa manera com ho sn les obres de Shakespeare, les simfonies de Beethoven o el sostre de la capella Sixtina. I per aix lhem de conixer, no solament com un entrenament per aquells de vosaltres que us vulgueu dedicar a la cincia sin com a part de la vostra educaci com a essers humans. Lhome sha preguntat durant molt de temps de qu est fet el mon i qu el mant unit

La fsica d' Aristtil Segons Aristtil tot el que passa s moviment de matria i comena per considerar el moviment dobjectes simples per exemple: Un objecte cau pel seu neguit per arribar al centre csmic, la Terra. Un objecte pesant tindr ms neguit I per tant caur ms rpid que un de lleuger. Degut a la perfecci del cel, els objectes al cel es mouen descrivint la ms perfecta de les figures: el cercle.La cincia grega tenia un defecte fatal: no incloa cap mecanisme per assegurar un consens.Les opinions contraposades es podien debatre indefinidament, per a ells experimentar no tenia cap valor.

4

Geocentrisme Al segle II Ptolomeu dAlexandria va descriure tan b els moviments celestials que la navegaci i els calendaris basats en el seu model funcionaven perfectament. La combinaci de la fsica aristotlica amb lastronomia de Ptolomeu es varen acceptar com a veritat prctica i doctrina religiosa i la Santa Inquisici es va encarregar dimposar-la.

Lastronomia de Ptolomeu amb una Terra estacionria, requereix que els planetes descriguin corbes sinuoses i complicades.

5

Nicolau Coprnic

6

Johanes KeplerVdeos sobre Kepler: 1a part 2a part Astrnom i matem-tic alemany i una figuraclau en la revoluci cientfica. (1571 1630)Va ser ajudant del tamb astrnom Tycho Brahe i matemtic de la cort de l'emperador austrac.Descobreix les lleis sobre el moviment dels planetes.Va proporcionar una de les bases per a la teoria de la gravitaci universal elaborada per Isaac Newton.

7

Les tres lleis de Kepler

Els planetes es mouen al voltant del Sol en rbites ellptiques.El radi vector que uneix un planeta amb el Sol escombra rees iguals en temps iguals.El quadrat del perode orbital dun planeta s directament proporcional al cub de la seva distncia mitjana al Sol.

8

Galileu Galilei (1564-1642)Va ser un fsic, matemtic ifilsof italique va tenir un paper important durant larevoluci cientfica.Va millorar eltelescopi, i per tant, l'observaci astronmica, i va donar suport a lateoria heliocntrica deNicolau Coprnic.Potser ms que qualsevol altra persona, fou el responsable del naixement de la cincia moderna Stephen HawkingL'Esglsia s'oposa vigorosament a la posici de Galileu, per ell demana la llibertat de recerca.Galileu s jutjat per laInquisici degut a la publicaci delsDilegs, perqu li havia estat prohibit defensar o ensenyar les teories de Coprnic. Aquest judici no fou anullat fins l'any1992.

Epur si muove

9

El mtode cientficPer guanyar punts a favor seu, Galileu necessitava exemples que entressin en conflicte amb la mecnica d'Aristtil, per no acabava de trobar fenmens prou illustratius. La seva soluci va ser crear-los!Galileu va concebre situacions especials, o experiments, i un experiment servia per comprovar una predicci terica. Avui en dia aquest enfocament pot semblar-nos evident, per a lpoca de Galileu va ser una idea original i profunda.

En el seu experiment ms fams, suposadament Galileu va deixar caure una bola de plom i una de fusta des de la Torre de Pisa, la seva ciutat. El cop simultani dambdues boles contra el terra, va demostrar que el temps de caiguda no depenia de la massa i va tirar per terra una de les prediccions dAristtil.

El mtode experimental de Galileu va ser objecte de crtica. Galileu va replicar: la cincia solament shauria docupar de qestions demostrables. Lintuici i la autoritat no compten en cincia. Lnic criteri s la demostraci experimental.10

Isaac Newton (1643-1727)Biografia:Part 1 part2 part3 part 4Newton s l'autor delsPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica, on descriu lallei de la gravitaci universali les treslleis del moviment, base de lafsica clssica.Va crear un model matemtic per a leslleis de Kepler.

Fsic angls, va realitzar els seus primers estudis universitaris alTrinity College (Cambridge), on desprs va ser professor durant 30 anys.Va fer grans descobriments en mecnica, ptica i matemtiques.

11

Newton i la llumNewton creia que la llum era un feix de petites partcules.Altres cientfics varen proposar que la llum era una ona, per laclaparadora superioritat de Newton, va fer que la seva teoria corpuscular domins durant 100 anys.A comenament del segle XIX, Young va demostrar que la llum era una ona amb el seu experiment de la doble escletxa. Si la llum fos una partcula no hi hauria patr dinterferncies.

Maleides interferncies!La llum est formada per partculesno, per ones si, si, per ones, fijo per partcules, seguren qu quedem doncs ones o partcules?

Si la llum estes formada per partcules, al tenir dues escletxes de llum, haurien dilluminar la pantalla amb doble intensitat, en canvi obtenim un patr dinterferncies. En fsica la interferncia sutilitza com a demostraci del comportament ondulatori.12

Les ones

Una ona s una vibraci que es propaga per lespai transportant energia. La vibraci i la ona poden tenir la mateixa direcci (ones longitudinals), o b poden tenir direccions perpendiculars (ones transversals).

13

Electricitat A l'any600 aC Tales de Miletdescriu el poder d'atracci de l'ambre fregat i la seva capacitat de produir guspires.Benjamin Franklin a meitats del segle XVIII va tenir una genial idea, va observar que quan dos cossos carregats elctricament entraven en contacte, la seva atracci s debilitava, va pensar que les crregues sanullaven.Atorga signes positius i negatius als cossos carregats elctricament.Franklin formula la teoria del corrent elctric.

Com que lanullaci s una propietat dels nombres posistius i negatius, dona signes + i als cossos carregats elctricament.14

Michael Faraday al preguntar-se com podia exercir fora un cos sobre un altre, a travs de lespai buit i va postular que una crrega crea un camp elctric a lespai.Maxwell va predir lexistncia de vibracions del camp elctric que es propagaven, s a dir, ones electromagntiques.Va comprovar que la velocitat daquestes ones coincidia amb la velocitat de la llum.Va proposar que la llum era una ona.

Gbia de FaradayCamp elctric creat per dues crregues

Les teories ms fonamentals de la fsica estan formulades en termes de camps.15

James Clerk Maxwell(1831 - 1879) fou unmatemtic i fsic tericescocs. El seu xit ms important va ser la formulaci d'una teoria electrmagntica, sintetitzant les anteriors observacions, experiments i lleis, sobre lelectricitat i el magnetisme. Tamb va desenvolupar ladistribuci de Maxwell, una estadstica que pretn descriure aspectes de lateoria cintica dels gasos, de la que en va ser el creador. Aquests dos descobriments contriburen a inaugurar l'era de la fsica moderna, assentant els fonaments per als futurs treballs en camps com larelativitat especiali lamecnica quntica. Maxwell va calcular el valor de la velocitat de les ones electromagntiques i va trobar un valor proper al de la llum, per tant va concloure que la llum no era res mes que una ona electromagntica.

Max Planck (1858-1947)

Fsicalemany, Planck havia estat contractat per companyies elctriques per tal de millorar el funcionament de labombeta, amb l'encrrec d'aconseguir el mxim dellumamb el menor consum possible d'energia. Intentant resoldre aquest problema va fer la suposici, avui coneguda com apostulat de Planck, de que l'energia electromagntica podia ser emesa noms de maneraquantificada, en altres paraules, l'energianoms pot ser un mltiple d'una unitat elemental. Els fsics actuals anomenenfotons a aquests unitats.

Els descobriments de Planck, van donar pas al naixement d'un camp totalment nou de la fsica, conegut com mecnica quntica i van proporcionar els fonaments per a la recerca en camps com el de l'energia atmica. Planck s considerat com el pare de lateoria qunticai un dels fsics ms importants delsegle XX que va ser guardonat amb elPremi Nobel de Fsical'any1918.

E = h

17

Congressos Solvay ElsCongressos Solvay sn unes trobades entre fsics i qumics que tenen lloc des de1911. Aquestes conferncies reunien els ms grans cientfics del moment per a discutir les noves teories i experiments que van revolucionar la fsica de l'poca com ara lamecnica quntica, lateoria de la relativitat i laradioactivitat. Van ser ideades i organitzades pel qumic i industrialbelga Ernest Solvay. Desprs de l'xit de la primera conferncia, es van fundar els Instituts situats aBrusselles, que s'encarregaven de coordinar les conferncies, tallers, seminaris i colloquis.Fins ara s'han organitzat 23 conferncies, que ara tenen lloc cada tres anys. La 23a Conferncia Solvay va tenir lloc a l'Hotel Mtropole de Brusselles (igual que la primera) entre els dies 1 i 3 de desembre de2005, sobre el tema: "L'estructura quntica de l'espai i el temps".

18

Primer congrs Solvay 1911El tema principal va ser: La radiaci i els quants

19

Participants:

Albert Einstein (1879-1955) El 1921, Einstein va guanyar el premi Nobel de fsica per la seva teoria sobre lefecte fotoelctric que demostrava que la llum estava formada per partcules (fotons). s elcientficms conegut i important delsegle XX.Va ser unfsic d'origen alemany,nacionalitzat susinord-americ. El primer dels seus articles cobria els estudis sobre elmoviment browni i per fi demostra la existncia dels toms!L'any1905, public la sevaTeoria Especial de la Relativitatquan encara era un jove fsic desconegut, treballador de l'Oficina de Patents de Berna. Amb ella va nixer la cosmologia, que s l'estudi de l'origen i levoluci de l'Univers.

E=mcCom deu ser cavalcar en un raig de llum?

21

La dualitat ona corpuscleEinstein havia suggerit que la llum estava formada per quants denergia: els fotons, per durant el segle XIX shavien anat acumulant evidncies de que la llum era una ona electromagntica. Per tant, la llumra una ona o un conjunt de partcules?En opini dEinstein, les dues teories de la llum eren certes, tot i que entre elles no hi havia cap connexi lgica.

Einstein a prova: evidencies que proven la teoria de la relativitat.

Niels Bohr (1885-1962)

Nascut el1885a Copenhaguen, estudifsicaa la universitat.Es despla a Cambridge on treball ambJoseph Thomson alCavendish Laboratory i aManchestersota la supervisi d'Ernest Rutherford.Sens dubte ha estat el fsic que ms a influt en el desenvolupament de la mecnica quntica i la fsica atmica. El seu institut de fsica a Copenhaguen es va convertir en el centre datracci per a tots els fsics interessats en aquests temes fins al punt que la interpretaci actual de la mecnica quntica sanomena interpretaci de Copenhaguen. Sn famoses les discussions mantingudes sobre aquesta interpretaci entre Bohr, Heisenberg i Einstein. Va exiliar-se per a evitar el seu arrest durant el domini nazi, degut a la seva ascendncia jueva, i es va incorporar al grup britnic que va collaborar en el desenvolupament de la primera bomba atmica a Los lamos.

23

Espectres dabsorci i emissi de ltom dhidrogen

L'any1913 va publicar el seu propimodel atmic, en el qual aplica la teoria deMax Planck de la quantificaci de lenergia al model planetari de ltom, que permet interpretar l'espectre de l'tom d'hidrogen. L'any1922fou guardonat amb el Premi Nobel de Fsica pels seus treballs sobre el model atmic.Laquantificaci de l'energia que implica discontinutat dels possibles nivells de situaci de l'electr, i la relaci entre radiaci emesa i el salt de l'electr entre els seus nivells quntics sn la clau per a entendre aquest tom de Bohr.

24

Werner Heisenberg (1901- 1976)El model de Bohr solament funcionava b quan saplicava al cas de ltom dhidrogen, per tant quedava clar que tot el sistema de conceptes fsics havia de ser reconstrut des de les seves bases. Shavia de buscar una nova teoria i la varen anomenar mecnica quntica.Durant el 1924 Heisenberg va visitar a Bhor durant unes setmanes, va mantenir moltes converses amb ell al nou institut de fsica terica de Copenhaguen, i es va imbuir de les idees fsiques de Bohr.Lestiu del 1925 Heisenberg, fugint dun atac molt fort d'allrgia, es va allar a lilla de Helgoland, al mar del Nort, on va treballar de forma intensiva fins a aconseguir la primera formulaci de la mecnica quntica.

Fou el lder del projecte alemany de labomba atmica motiu pel qual es va enemistar amb Bhor

Heisenberg va utilitzar models matemtics en els que apareixien nous nmeros quntics per explicar les rbites estacionries i les lnies ms fines dels espectres que havien aparegut amb les noves tecnologies. Devem a Bhor la interpretaci daquesta teoria, anomenada interpretaci de Copenhaguen.El 1932 rep el premi Nobel de fsica per la creaci de la mecnica quntica.

Un dels punts de la teoria pel que s ms conegut Heisenberg s el principi dincertesa: la posici i la velocitat duna partcula no es poden mesurar simultniament amb gran precisi, com ms precisament determinem la posici, ms imprecisa s la mesura de la seva velocitat i viceversa.El 1929 publica Els principis fsics de la teoria quntica que es va convertir immediatament en el llibre de referncia per comprendre la nova teoria

Erwin Schrdinger(1887-1961)Fsic i professor universitari austrac, fams per les seves contribucions al desenvolupament de lamecnica quntica.El 1926 va publicar la segona formulaci de la mecnica quntica, la formulaci ondulatria amb el que avui es coneix com a equaci de Schrdinger.Va ser catedrtic de fsica teorica a la universitat de Berlin, on va substituir a Max Planck. A Berlin hi va trobar amics com Einstein i Planck i sovint van criticar la interpretaci de Copenhaguen de la mecnica quntica, per exemple mitjanant lexperiment mental del gat de Schrdinger.Va rebre el premi Nobel de Fsica el 1933

El 1933 Hitler va pujar al poder i Schrdinger va fugir de Berlin cap a oxford. Poc desprs d'arribar-hi, va descobrir que havia estat guardonat amb elpremi nobel, juntament mbpaul dirac

27

El gat dSchrdinger

Va proposar l'experiment mental conegut com elgat de Schrdinger amb la intenci d'illustrar els problemes de la mecnica quntica al traduir les conseqncies d'esdeveniments subatmics a sistemes macroscpics.Ja no podem refiar-nos de la intuci!Vdeo Singular amb Snia Fernandez

28

Louis de Broglie (1892-1987)

Prncep Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie, noble francs, va estudiar fsica terica a La Sorbona. El 1923 va portar la idea dEinstein de la dualitat ona corpuscle a un altre terreny. Va presentar latesi doctoral: "Investigacions sobre la teoria quntica" descrivint per primera vegada els electrons com aones. Va ser guardonat l'any1929amb elPremi Nobel de Fsica.Els fotons, els electrons, estan tots bojos, per per sort per als fsics tots comparteixen la mateixa bojeria: la dualitat ona partcula. _ Richard Feynman. Dr quantum

29

Les forces fonamentals de luniversHi ha mltiples efectes de les forces, per totes aquestes forces es redueixen segons la teoria quntica de camps a les quatreforces fonamentals, enumerades a continuaci en ordre decreixent d'intensitat, acompanyades dels seus bosons portadors:fora forta (glu)fora electromagntica (fot)fora feble (W i Z)fora gravitatria (gravit?)Aquestes forces sanomenen fonamentals perqu tots els efectes de qualsevol fora de la naturalesa poden reduir-se a aquestes quatre. Per exemple, les forces entre molcules, les forces de contacte, les tensions de cordes o les elasticitats poden reduir-se completament a forces electromagntiques.Aquestes forces actuen a partir de l'intercanvi de bosons. Elmodel estndard de fsica de partcules descriu les interaccions fortes, febles i electromagntiques per encara no hi ha unateoria qunticade la gravitaci.

Les partcules elementals a la dcada de 1930

El 1932 langls Chadwick va descobrir els neutrons. Heisenberg va intuir que si en el nucli shavien de mantenir junts protons i neutrons (amb les consequents repulsions) hi ha dhaver una fora ms intensa que actua a distncies petites i que mant units els nucleons.

Quan es produeix la desintegraci beta i es mesuren les energies, el valor de la energia inicial es lleugerament superior al de la final. Pauli va suggerir lexistncia duna nova partcula, el neutr, amb una massa molt petita i sense crrega, que interacciona molt poc amb la matria. No sel va detectar fins al 1950. Cada segon el nostre cos s travessat per 1012 neutrins procedents de les reaccions nuclears que es produeixen al Sol, sense que percebem la seva presncia.Imatge del Sol amb neutrins detectats al detector Superkamiokande a una mina a 1.000m de fondria.

El model Estndard. 1973dilluns, 22 agost de 2016Les idees principals sn:Hi ha dos tipus de partcules: les que sn matria (com els electrons, els protons, els neutrons,i els quarks) i partcules que transporten forces (com els fotons).Partcules portadores de fora:Cada tipus de fora fonamental s "transportada per una partcula portadora de fora (el fot ns un exemple).Partcules materials:El Model Standard estableix que la majoria de les partcules que coneixem estan formades en realitat de partcules ms fonamentals anomenades quarks.Hi ha un altre tipus de partcules fonamentals anomenades leptons (lelectr ns un exemple).

Els fsics han desenvolupat una teoria anomenada el Model Standard, que intenta descriure tota la matria i totes les forces existents a lunivers (excepte la gravetat). La seva elegncia recau en la capacitat de justificar la existncia de centenars de partcules i interaccions complexes, a partir dunes poques partcules i interaccions fonamentals.

El model Estndard. 1973 Elmodel estndard de fsica de partculess una teoria quntica que descriu les partcules elementalsi les sevesinteraccions fonamentals: electromagntica,febleiforta. El fet que el model no inclou la descripci de lainteracci gravitatria, posa de manifest que no s una teoria completa i, per tant, ha de ser ests.El model estndard de partcules elementals amb els bosons a la columna de la dreta.

33

EINSTEIN A PROVA34Einstein a Prova

35Einstein a Prova

35Einstein a prova

36Einstein a Prova

37Einstein a Prova

38Einstein a Prova

39Einstein a Prova

40Einstein a Prova

41Einstein a Prova

Einstein a Prova42

Einstein a Prova43

Einstein a Prova44